Взаимосвязь экологии с другими науками.
Связь с философией. Философия исследует познавательное, социально-политическое, ценностное, этическое и эстетическое отношение человека к миру. Она занимается поиском путей гармонизации природы и общества.
Биологические науки. Изучением взаимодействия организмов с химическими компонентами окружающей среды занимаются физиология и биохимия, а внешними реакциями - этология (наука о поведении). Все эти отрасли знаний касаются человека, животных и микроорганизмов.
Математика. Все взаимодействия между организмами и средой могут быть представ-лены и формализованы в виде уравнений, графиков, дисперсионного анализа и т. д. Они позволяют установить связи между динамикой численности живых организмов и условий окружающей среды расчет нормативов сбросов и выбросов предприятий и управления качеством окружающей среды.
Химические науки. В основе жизни лежат процессы обмена веществ между организмами и средой обитания и протекают биогеохимическими циклами.
Физика. Закономерности процессов преобразования веществ в пищевых целях в водной, воздушной средах подчиняются фундаментальным законам физики - закону сохранения массы и второму началу термодинамики (сохранение энергии).
Географические науки. Экология тесно связана с географией. Разные экосистемы сосуществуют в воздухе, воде, почве. Отсюда появилась географическая экология, ландшафтная экология, ботаническая и зоологическая география.
Медицина. Снижение качества окружающей среды в результате антропогенной деятельности человека приводит к отклонению конкретных условий среды от норм, что ведет к заболеванию людей, животных и растений и часто к их гибели.
Экономика. Э. Геккель называл экологию наукой об экономике. Считается, что качество окружающей среды в любом государстве адекватно состоянию его экономики.
Правоведение. Человек имеет право на благоприятную окружающую среду, что записано в Конституции РК.
Роль и место экологии в системе других наук. Современная экология превращается в междисциплинарную науку. На стыке экологии с другими отраслями знаний возникли новые - инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйст-венная экология, космическая экология и т. д. Современная экология связана с политикой, экономикой, правом, психологией, педагогикой. Совместно с другими науками можно преодолеть технократическое направление мышления и выработать новый тип экологического сознания, меняющий поведение людей по отношению к окружающей природной среде.
6. Основные разделы и структура современной экологии. Выделяют крупные подразделения: общая экология (биоэкология – исследует закономерности жизни экосистем, популяций и отдельных организмов), геоэкология, прикладная экология, экология человека и социальная. Классификация биоэкологии по уровням биотических систем представлена аутэкологией (особей и организмов), синэкологией (экология сообществ), популяционной экологией и пр.
Экология города изучает закономерности взаимодействия человека с городской средой.
Экология прикладная — результаты исследования направлены на решение практических проблем охраны окружающей среды. В прикладной экологии развиваются: промышленная (инженерная), технологическая, сельскохозяйственная, медицинская, химическая, рекреационная и др.
Экология социальная — исследует отношения между человеческим обществом и окружающей географически пространственной, социальной и культурной средой, прямое и побочное влияние производственной деятельности на состав и свойства окружающей среды, экологическое воздействие антропогенных факторов на здоровье человека и на генофонд человеческих популяций.
Экология человека (антропоэкология) – комплексная наука, изучающая взаимодействие человека как биосоциального существа со сложным многокомпонентным окружающим миром, с постоянно усложняющейся средой обитания. Важнейшей её задачей является раскрытие закономерностей производственно-экономического, целевого освоения и преобразования природных ландшафтов под воздействием деятельности человека.
Глобальная экология – комплексная научная дисциплина, изучающая основные закономерности развития биосферы в целом, а также возможные её изменения под влиянием деятельности человека.
7. Формирование экологических знаний и культуры. Усилиями всего человечества можно сохранить чистоту атмосферы, спасти от загрязнения Мировой океан, разумно использовать земные недра, предотвращая их полное истощение. Этим обусловлена необходимость осуществления экологического образования и воспитания, которые способствуют формированию экологического сознания, экологической культуры человека.
Экологическое сознание включает экологические знания, эстетические чувства и экологическую ответственность.
Экологическая культура формируется в процессе экологического воспитания, это:
- формирование экологических знаний, умений и навыков природоохранительной деятельности;
- развитие нравственно-эстетических чувств по отношению к природе;
- осознание учащимися положения о том, что человек – это часть природы, природа – среда обитания человека;
- наличие твердой воли к осуществлению природоохранительной работы.
8. Локальные, региональные и глобальные экологические проблемы современности.
Экологические проблемы современности по своим масштабам условно могут быть разделены на локальные, региональные и глобальные, а среди большинства международных экологических конфликтов можно выделить четыре категории: распределение водных ресурсов, загрязнение морей, чистота воздуха, чистота воды.
Завод, без очистки сбрасывающий в реку свои промышленные стоки, вредные для здоровья людей, хищническая рубка векового лесного массива, ненормированные выбросы вредных веществ в атмосферу в результате работы промышленного предприятия — все это примеры локальных экологических проблем.
Примером региональных экологических проблем может служить проблема Полесья — болотистого края с недавно проведенной масштабной мелиорацией.
К региональным экологическим проблемам можно также отнести проблему Кузбасса — почти замкнутой в горах котловины, заполненной газами коксовых печей и дымами металлургического гиганта, об улавливании которых при строительстве завода никто не думал; проблему высыхающего Аральского моря; высокую радиоактивность почв в районах, прилегающих к Чернобылю.
Глобальные проблемы существуют в масштабах земного шара.
Основные глобальные экологические проблемы современности:
• изменение климата Земли, парниковый эффект (глобальное антропогенное потепление);
• разрушение озонового экрана, возникновение озоновых дыр;
• химическое загрязнение атмосферы и, как следствие, образование кислотных осадков;
• демографический кризис, относительное перенаселение Земли в некоторых регионах;
• чрезмерная урбанизация, что приводит к существенным перестройкам ландшафтов Земли;
• загрязнение почв, уменьшение их площадей;
• загрязнение Мирового океана и изменение свойств океанических вод за счет нефтепродуктов, насыщения их углекислым газом атмосферы;
• загрязнение поверхностных вод суши;
• опустынивание обширных территорий;
• истребление лесного покрова Земли;
• продолжающееся накапливание на поверхности Земли бытового мусора, твердых и жидких отходов;
• уменьшение биологического разнообразия флоры и фауны и устойчивости экосистем;
• замусоривание околоземного космического пространства.;
• изменение геохимии ландшафтов в связи с развитием теплоэнергетики, • перераспределением элементов между недрами и поверхностью Земли в результате горно-металлургического передела, извлечения на поверхность высокоминерализованных подземных вод и рассолов;
• исчерпание многих месторождений минерального сырья и постепенный переход от богатых ко все более бедным рудам.
9. Определение понятия «Устойчивое развитие и роль экологии в реализации концепции «Устойчивое развитие».
Устойчивое развитие модели использования ресурсов, которая направлена на удовлетворение потребностей человека при сохранении окружающей среды, с тем, что эти потребности могут быть удовлетворены не только для настоящего, но и для будущих поколений. Комиссия Брундтланд придумала этот термин, это стало наиболее часто цитируемое определение устойчивого развития как развития, что «удовлетворение потребностей нынешнего поколения, без ущерба для возможности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности».
Триединая концепция устойчивого развития
Концепция устойчивого развития появилась в результате объединения трех основных точек зрения: экономической, социальной и экологической.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ.
Тема 2. Аутоэкология – экология организмов.
1. Взаимодействие организмов и среды
2. Экологические факторы, их классификация
3. закономерности действия биотических и абиотических факторов.
4. Лимитирующие факторы. Закон минимума Ю. Либиха. Закон толерантности В. Шелфорда.
1. Взаимодействие организмов и среды.
Аутоэкология - раздел экологии, изучающий видовые особенности реагирования отдельных животных и растений на факторы среды и образ жизни вида.
Шесть главных уровней организации живой материи:
- молекулярный
- клеточный
- организменный
- популяционный
- экосистемный
- биосферный (экосферный).
В экологии живая материя рассматривается на организменном уровне.
Организм – любое живое существо, отличающийся от неживой природы клеточной организацией, обменом веществ, обеспечивающей гомеостаз организма. Гомеостаз – самовозобновление и поддержание постоянства внутренней среды организма. Для живого организма характерны: рост, раздражимость, развитие, размножение, наследственность и адаптация; обладают обменом веществ или метаболизмом. Путь от зарождения и до конца жизни – онтогенез. Длительная эволюция современного онтогенеза – филогенез.
На Земле насчитывается 2,2 млн. видов организма. Их делят на: доклеточные (вирусы и фаги) и клеточные – все остальные. Клеточные делят на два надцарства: прокариоты – низкоорганизованные доядерные (бактерии, сине-зелёные водоросли) и зукариоты – высокоорганизованные ядерные. Среди них выделяют три царства: животные, растения грибы. Эти царства составляют биоту.
Среда обитания организма – это совокупность абиотических и биотических условий егожизни. Параметры среды постоянно меняются и чтобы выжить, любое существо приспосабливается к этим изменениям.
2. Экологические факторы, их классификации
Экологические факторы - это различные факторы среды, внешние по отношению к организму и воздействующие на него: климатических, эдафических (почвенных) и биотических (воздействие живых организмов).
Одной из наиболее распространенных классификаций экологических факторов - деление на:
1. биотические (биогенные), характеризуют живые организмы в окружении организма;
2. абиотические (абиогенные) неживые компоненты окружения организма.
Обе группы факторов по своему происхождению могут быть как природными, так и антропогенными.
Другие классификации экологических факторов:
- по времени действия – эволюционные (температура, свет, влажность, соленость);
- действующие (современные);
- по периодичности действия – периодические (сезонные)
- непериодические (техногенные залповые выбросы, природные катаклизмы);
- исторические (в ходе филогенеза).
Важный экологический фактор – питание. Два способа питания: голофитный – всасывание растворённых веществ через поверхностные структуры организма и голозойный – захват пищи внутрь тела.
Деятельность человека оказывает определяющее воздействие на все эти факторы и затрагивает практически все стороны взаимодействия организма с условиями его обитания. Часть антропогенных факторов, связанных с применением техники, называется техногенным.
3. Закономерности действия биотических и абиотических факторов
Область количественных значений факторов среды, в пределах которого могут существовать представители данного вида – биоинтервал фактора. Условия, при которых жизнедеятельность максимально угнетена, но организм ещё существует – пессимальные. При приближении к экстремальным значениям фактора биоинтервала в организме наступает нарушение отдельных функций – состояние стресса. Критический фактор – нарушения обратимы, ещё сохраняется способность к самовосстановлению. Необратимые нарушения ведут к летальному исходу.
Экологическая ёмкость — это показатель способности природной системы к регенерации изъятых из нее ресурсов и к нейтрализации вредных антропогенных воздействий. Полная экологическая емкость природного комплекса определяется:
1. объемами основных природных резервуаров — воздушного бассейна, водоемов и водотоков, земельных площадей и запасов почв, биомассы флоры и фауны;
2. мощностью потоков биогеохимического круговорота, обновляющих содержимое этих резервуаров: скоростью местного атмосферного газообмена, пополнения объемов чистой воды, процессов почвообразования и продуктивностью биоты.
Для разработки нормативов экологической безопасности экспериментально, на тест-объектах определяют различные дозы воздействия: минимальные токсичные, средние летальные. По этим результатам рассчитывают: ПДУ – предельно допустимые уровни, ПДК, ПДД – предельно допустимые дозы. Эти показатели вместе с другими составляют основу экономического нормирования.
4. Лимитирующие факторы. Закон минимума Ю. Либиха. Закон толерантности В. Шелфорда.
Закономерности воздействия экологических факторов на организмы определяются законами минимума Ю. Либиха и законом толерантности В. Шелфорда.
Закон минимума был сформулирован в 1940 году немецким агрохимиком Ю. Либихом. Согласно этому закону выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Лимитировать, или ограничивать рост организмов может не только недостаток, но и избыток того или иного фактора. Поэтому требования организма к среде обитания можно характеризовать по каждому фактору двумя величинами - экологическим минимумом и экологическим максимумом.
Лимитирующее влияние максимума установил В. Шелфорд в 1913г., и его называют законом толерантности Шелфорда. Диапазон между этими двумя величинами называют диапазоном толерантности (ДТ).
Организмы, для жизни которых требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности – стенобиотные, способные жить в широком интервале факторов – эврибионтные.
Все животные делятся на:
- пойкилотермные – температура тела у фауны меняется с изменением температуры ОС: пресмыкающиеся, насекомые и др.
- гомойотермные – температура тела постоянная: млекопитающие.
Для развития и реализации экологической потенции вида необходимо оптимальное сочетание ведущих факторов. Это требование называют законом совместного действия факторов.
Дополнительно:
Экологическое значение основных абиотических факторов в жизнедеятельности организмов. Абиотические факторы - совокупность условий неорганической природы. Это прямо или косвенно действующие на организм факторы неживой природы - свет, температура, влажность, химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. (т. е. свойства среды, возникновение и воздействие которых прямо не зависит от деятельности живых организмов).
Свет - (солнечная радиация) - характеризуется интенсивностью и качеством лучистой энергии Солнца; используется растениями для создания растительной биомассы. Солнечный свет - основной источник энергии для поддержания теплового баланса планеты, водного обмена организмов, создания и превращения органического вещества автотрофным звеном биосферы, что в итоге делает возможным формирование среды, способной удовлетворять жизненные потребности организмов.
Биологическое действие солнечного света обусловливается его спектральным составом,
интенсивностью, суточной и сезонной периодичностью.
Физиологические процессы растений и животных находятся в строгой зависимости от суточной ритмичности, что выражается определенными биологическими ритмами. Биологические ритмы являются наследственно закрепленными реакциями.
Температура - от него в значительной степени зависит существование, развитие и распространение организмов на Земле. Значение температуры - непосредственное ее влияние на скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах. Растения и животные проявляют различную потребность в тепле.
Способы приспособления
Миграция - переселение в более благоприятные условия.
Оцепенение - состояние полной неподвижности, резкое снижение жизнедеятельности, прекращение питания.
Анабиоз - состояние резкого угнетения жизненных процессов, когда видимые проявления жизни временно прекращаются.
Терморегуляция.
Вода является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, выступает важнейшим исходным, промежуточным и конечным продуктом биохимических превращений.
Воздушная среда и ее газовый состав. Для успешного существования организмов важны не только физические, но и химические свойства воздуха, содержание в нем нужных для жизни газовых компонентов.
Кислород. Единственными продуцентами свободного кислорода на Земле являются зеленые растения, которые образуют его в процессе фотосинтеза.
Углекислый газ. Даже небольшие колебания в содержании СО2 существенно отражаются па непосредственно зависящем от него процессе фотосинтеза. Главные источники поступления СО2 в атмосферу - дыхание животных и растений, процессы горения, извержения вулканов, деятельность почвенных микроорганизмов и грибов, промышленные предприятия и транспорт.
Почва. Эдафические факторы среды (почвы) - свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей.
Вопросы:
1. Закономерности действия биотических и абиотических факторов.
2. Что такое биоинтервал фактора?
3. Какое значение фактора называют критическим?
4. Что такое ресурсы?
5. Почему закон Ю. Либиха можно назвать частным случаем закона В. Шелфорда?
6. Что означает антропогенные воздействия?
7. Существует ли для каждого вида лишь один лимитирующий фактор или их может быть несколько? Ответ обосновать.
8. Почему пищу относят к экологическому фактору?
9. Что понимают под термином «среда обитания?»
Тема 3. Демэкология.
1. Статические и динамические характеристики популяции.
2. Кривые роста численности популяции.
3. Механизмы регуляции численности популяции.
1. Статические и динамические характеристики популяции.
Популяция - совокупность особей и обладает следующими особенностями:
1) существование на протяжении большого числа поколений;
2) наличие определенной степени панмиксии, т.е. свободного скрещивания особей;
3) определенную степень изоляции.
Популяции имеют экологические характеристики:
1) нишу;
2) численность и биомассу популяции;
3) динамическую характеристику - рождаемость, выживаемость, скорость роста, смертность.
Экологическая ниша - это совокупность всех требований популяции к условиям среды (составу и режимам экологических факторов). Численность популяции может сильно варьировать у разных организмов: у крупных животных сравнительно невелика, у мелких организмов может достигнуть миллионов особей. Популяции с малым числом особей неустойчивы и могут исчезнуть при определенных изменениях условий обитания.
Статическая характеристика популяции. Численность популяции подвержена большим колебаниям во времени и обусловлена многими воздействиями со стороны живой и неживой природы. С численностью популяции неразрывно связана биомасса популяции, которая является важнейшей ее характеристикой. В сельском и лесном хозяйствах от численности растительноядных видов зависит наносимый ими ущерб. Не зная фактической численности и состояния популяций редких и исчезающих видов, невозможно вести работы по их охране и воспроизводству.
Плотность - это численность популяции, отнесенная к единице занимаемого ею пространства. Плотность популяции крупных животных определяется количеством особей, приходящихся на 10 тыс. га, население почвенных беспозвоночных соотносится с 1 м2.
Половая структура популяции – в силу специфики физиологии, разной жизнеспособности, влияния внешних, социальных, антропогенных и др. факторов, соотношение мужских и женских особей различаются, порой резко.
Возрастная структура – в популяции выделяют 3 экологических возраста:
-пререпродуктивный (до способности размножаться),
- репродуктивный,
- пострепродуктивный.
Динамическая характеристика складывается при взаимодействии основных популяционно-динамических процессов:
1) рождаемости,
2) смертности;
3) иммиграции новых особей из других популяций;
4) эмиграции некоторых особей за пределы ареала данной популяции.
Рождаемост ь - это способность популяции к увеличению, или число потомков, производимых одной самкой за 1 год. В человеческом обществе рождаемость выражается числом рождений на 1000 человек за 1 год.
Антропогенные воздействия на популяцию могут изменять рождаемость. Смертность - гибель особей за единицу времени в отсутствие лимитирующих факторов. Экологическая, или реализуемая смертность - гибель особей за единицу времени при фактических условиях среды. Разность между рождаемостью и смертностью определяет реальную динамику численности у данной популяции.
2. Кривые роста численности популяции. Различают два типа роста численности популяции:
1. экспоненциальный (логарифмический) описывается J-образной кривой;
2. логистический – S-образной.
Прирост популяции пропорционален её численности и, при отсутствии ограничении различными факторами, популяция растёт ускоренно, и достаточно скоро устремляется к бесконечности. Это экспоненциальная модель роста числа популяции. Экспоненциальный рост популяции не может быть бесконечным.
Однако ни одна популяция в природе не способна к экспоненциальному росту в течение длительного времени, т.к. пища или какой-либо другой жизненно важный ресурс окажутся использованными, и число гибнущих особей превысит число рождающихся. Величина популяции варьирует во времени иногда очень резко, но средняя величина из года в год для большинства крупных популяций колеблется относительно мало.
Регулирует численность популяции фактор, влияющий на смертность, которые действуют более эффективно при увеличении плотности популяции. Такие факторы называют зависимыми от плотности популяции. К их числу относятся:
- нехватка пищи,
- возрастание численности врагов,
- заболеваемость.
При высокой плотности популяции ее члены бывают слабее физически и мельче, что понижает их сопротивляемость к болезням, и делают более доступными хищникам. При высокой плотности рождаемость животных часто снижается, даже если нет недостатка в пище. При этом происходят различные гормональные сдвиги, которые влияют на половое поведение животных, усиливается их агрессивность.
В целом, численность популяции и скорость ее роста (скорость ее изменения, динамика численности) являются лабильными параметрами, высокочувствительными к воздействию абиотических, биотических и антропогенных факторов.
Резкий взлёт численности, по мере исчерпания ресурсов, испытывает постепенное торможение. Такая динамика описывается логистической кривой (Ферхюльст, 1845 г.). Перл (1925 г.) предположил, что такая динамика носит всеобщий характер.
Поэтому человек должен очень хорошо представлять себе все особенности той популяции, которая эксплуатируется, чтобы обеспечить стабильное длительное ее существование.
3. Механизмы регуляции численности популяции. Среди факторов, влияющих на численность популяции, выделяют ключевой фактор, наиболее сильно влияющих на рождаемость, смертность, миграцию особей и т.д.
Механизма торможения численности популяции при возрастании плотности:
1. повышается частота контактов между особями. Это вызывает стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность;
2. усиливается эмиграция в новые места обитания, где условия менее благоприятны и смертность увеличивается;
3. происходят изменения генетического состава популяции – быстрое размножение заменяется медленным.
Сокращение генофонда живой природы может привести к трагическим последствиям.
Контрольные вопросы:
1. Что относится к экологическим характеристикам популяции?
2. Как называется место обитания популяции?
3. От чего зависит возрастная структура популяции вида?
4. Как изменяется численность популяции, если в ней смертность преобладает над рождаемостью?
5. Как изменяется численность популяции, если в ней рождаемость преобладает над смертностью?
6. Какие факторы способствуют росту численности популяции?
7. Дайте характеристику S -, J – образной кривым роста популяции.
8. Какие данные свидетельствуют о молодости человечества как биологического вида?
9. Какие факторы эволюции допустили ускоряющий рост численности людей?
10. Какие факторы сдерживают рост численности популяции?
11. Как называется форма межвидовых отношений, при которых виды не могут существовать друг без друга?
12. Под действием каких причин происходит увеличение и сокращение численности популяций?
Тема 4. Экосистема как структурно-функциональная единица биосферы
1. Экология сообществ: понятие о биоценозе, биогеоценозе
2. Свойства сложных систем. Параметры системы
3. Экологические пирамиды
4. Законы макроэкологии