Цель лекции: рассмотреть экологические последствия природопреобразовательной
деятельности человека; структуру, основные понятия, принципы и
основные проблемы современной экологии; ознакомиться с
основными экологическими законами.
План лекции 1. Введение.
2. Окружающая среда и научно-технический прогресс.
3. История развития экологии и предмет исследования.
4. Основные экологические понятия и термины.
1. Введение.
Проблема взаимодействия человеческого общества и природы стала одной из важнейших проблем современности. Положение, которое складывается в отношениях человека с природой, во многих случаях становится критическим: усиливается засуха, происходит опустынивание огромных территорий, исчерпываются запасы воды и полезных ископаемых, остро ощущается нехватка питания во многих развивающихся странах, ухудшается состояние почв, водного и воздушного бассейнов, усложняется борьба с вредителями сельскохозяйственных культур. Антропогенные изменения к настоящему времени затронули практически все экосистемы планеты, газовый состав атмосферы, поступление солнечной радиации и энергетический баланс Земли. Это означает, что стремительный индустриальный прогресс одновременно с материальными благами и невиданным ранее комфортом приносит нарастающее загрязнение среды, разрушение природных комплексов, истощение природных ресурсов.
Во многих районах мира перейден порог самозащиты природы, нарушилось ее динамическое равновесие, деятельность человека вступила в противоречие с природой. Внимание научной и широкой мировой общественности приковано к острейшим проблемам экологии, которые являются глобальными и требуют для своего решения объединения усилий всего человечества.
Совершенствование природопользования, экологическая обоснованность всей хозяйственной деятельности общества - грандиозная задача современности.
2. Окружающая среда и НТП.
Природа представляет собой сложный естественный организм, характеризующийся многообразие составляющих среды (ОПС) относят воздушную (атмосферу), водную (гидросферу) среды, животный и растительный мир, недра (почву, полезные ископаемые), акустическую и климатическую среду.
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - среда обитания и производственной деятельности человека. Человек является частью природы - он подчинен ее объективным законам: биологическим, физико-химическим и др.; вместе с тем он активно воздействует на ее состояние и развитие.
Таким образом, ПРИРОДНАЯ СРЕДА - это сложнейшая система, в которой составляющие ее элементы находятся в определенном равновесии между собой.
Природа существовала задолго до возникновения человека, но с развитием человеческого общества действие человека на окружающий его мир существенно возрастает и становится все более ощутимым. Влияние на природу факторов естественного характера (землетрясение, извержение вулканов и т.п.) по сравнению с действием, которое оказывает человек (антропогенные факторы), практически не сопоставимо. Первые из них сравнительно кратковременны и редки, а вторые - действуют постоянно, длительно и в ряде случаев могут привести к катастрофическим последствиям.
Современные учения объясняет всю сложность и многообразие взаимоотношений человека и окружающей его природной среды. В основе их находится всеобщая связь предметов и явлений как одной из наиболее существенных свойств объективного мира, включающего природу и общество, т.е. все материальное и идеальное (мышление). Такие связи могут быть различными (физическими, химическими, биологическими, социальными) и проявляться во времени и пространстве. При этом каждая из них может взаимодействовать с другими и в то же время являться частью общего взаимодействия так, что при изучении проявления одной конкретной связи необходимо учитывать не только ее роль и характер, но и соотношение всех связей в общей системе данного взаимодействия.
Наука, изучающая характер и многообразие данных взаимосвязей в природе и обществе, называется ЭКОЛОГИЕЙ.
Важно отметить не только существующую в природе взаимозависимость связей предметов и явлений, но и необходимость сохранения экологического равновесия, которое является следствием хозяйственной деятельности человека и общества в целом. Такая деятельность должна проводиться в определенных, разумных, научно обоснованных масштабах.
Существенным в эпоху НТР является необходимость не только изучить указанные выше связи предметов и явлений ОПС, но и установить оптимальный характер взаимодействия человека и природы, не порождающего причин и пагубных для всего человечества последствий нарушения экологического равновесия на нашей планете Земля. Это особенно важно в эпоху НТР, когда на современном этапе все ускоряющегося развития производительных сил и масштабов промышленности при значительной концентрации средств производства в крупных промышленных зонах и роста народонаселения земного шара уже происходит заметное нарушение такого равновесия.
Новая наука и технология, достижения медицины, средства массовой информации коренным образом изменили условия жизни людей, укрепили их веру в могущество науки.
Очень часто эта вера перерастает в самоуверенность и вседозволенность, следствием чего являются применение невежественных, нерациональных приемов природопользования и недопустимое, наплевательское отношение к окружающей природной среде.
В настоящее время возрастает роль той части экологической науки, которая призвана предупредить пагубные последствия экологического кризиса, а именно: познание и рациональное использование методов и средств природопользования; эффективное применение защитных мероприятий, которые на данном этапе исключают совсем или существенно ослабляют отрицательное воздействие антропогенных факторов на окружающую природную среду.
Чрезвычайно важной задачей в настоящее время является также добиться существенных качественных изменений уровня экологического сознания и культуры населения.
3. История развития экологии и предмет исследования.
Определение предмета экологии, и ее место в системе наук ни изложить, ни понять без краткого обзора ее возникновения, развития и основных категорий.
Экология - относительно молодая наука. Появилась она немногим более ста лет назад. Как самостоятельная наука оформилась к 1900 году. Термин “экология” был введен в литературу в 1866 году немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем.
Основы экологии можно найти в трудах многих выдающихся ученых прошлого века (Ж.-С. Ламарк, А. Гумбольд, А. Н. Северцов и др.).
Однако систематические экологические исследования были начаты только в начале 20 века.
Ретроспективный взгляд на становление экологии показывает, что уже при первых попытках обобщения опыта связей человека с природой многие естествоиспытатели в самых разных аспектах обращали внимание на взаимоотношения организмов и влияние на них среды.
Идея невозможности существования организмов помимо (вне) окружающей среды была четко сформулирована русским натуралистом К.Ф. Рулье (1851 г.) и французским натуралистом И. Жофруа Сент Иллером. К. Ф. Рулье и его ученик А. Н. Северцов были первыми экологами - биоценологами, уже понимавшими задачи биоценологических исследований.
К сожалению, их работы не были поняты современниками. Прошло много лет, прежде чем работы, подобные работам А. Н. Северцова и В. В. Докучаева привлекли внимание ученых-экологов.
Научной основой экологии послужила эволюционная теория развития Ч. Дарвина, исходя из которой организмы изучали в их неразрывной связи с окружающей средой.
Развитию экологии способствовали работы К. Мёбиуса, который ввел понятие БИОЦЕНОЗА, С. А. Форбса (1887 г.), предложившего для природного комплекса живых организмов и их абиотического окружения, рассматриваемую как целостную систему, специальный термин МИКРОКОСМ; К. Шретера, предложившего различать АУТЭКОЛОГИЮ(1896г.) и СИНЭКОЛОГИЮ (1902 г.).
Существенное значение для последующего развития экологии имели работы В. В. Докучаева (1846-1903 гг.) и его учеников Г. Ф. Морозова (1867-1930) и В. И. Вернадского (1863-1945), рассматривавших мир в функциональной взаимосвязи и с системных позиций.
На Украине учение Г. Ф. Морозова о лесных биоценозах успешно развивал П. С. Погребняк (1900-1976). Большой вклад в развитие зарубежной экологии сделал английский зоолог Ч. Элтон. Его книга “Экология животных” (1927 г. первое изд.) послужила толчком к дальнейшему развитию экологии, стала основным теоретическим руководством и сохранила свое значение и теперь, выдержав почти без изменений множество изданий.
В середине 20-х годов расширяются исследования объединений видов - развивается синэкология, развиваются законы динамики популяций.
В 1935 году английский ботаник А. Г. Тенсли вводит в экологию понятие ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ(ЭКОСИСТЕМЫ), охватывающее природное единство не только организмов, но и влияющих на них физических факторов, образующих среду БИОТЫ, т.е. место пребывания.
Выдающаяся роль в формировании современной отечественной экологии принадлежит Д. Н. Кошкарову, который, в частности, признавая деление экологии на аут- и синэкологию, в отличие от многих других ученых, одновременно указывал на неразрывную связь этих двух направлений.
Рост антропогенного влияния на биосферу как глобальную экосистему в период второй мировой войны и после нее послужил толчком к дальнейшему развитию экологии.
Появляется ряд работ (В. Н. Сукачев, 1947; Ю. Одум, 1963; Р. Дажо, 1975; Н. В. Дытес, 1978; Р. Рифлекс, 1979; В. П. Федоров, Т. Г. Гильманов, 1980; М. А. Голубец, 1982 и др.), в которых изложены теоретические основы и практические задачи этой науки.
Американский ученый-эколог Ю. Одум определяет экологию как науку о структуре и функциях природы, причем человечество рассматривается как часть природы.
Некоторые авторы расширяют круг научных проблем, которыми должна заниматься экология, и охватывают ими взаимодействие общества с природой (Шварц, 1973). Эту проблему должна решать социальная экология.
ПРЕДМЕТОМ изучения экологии являются условия и закономерности существования, формирования и функционирования биологических систем всех уровней - от отдельного организма до биосферы в целом и их взаимосвязь с внешними условиями, а также общие законы развития экосистем различных иерархических уровней.
Таким образом, хотя экология относительно молодая научная дисциплина, в ее развитии различают несколько фаз:
1 - Изучение среды обитания отдельных видов.
2 - Изучение экологической системы.
3 - Изучение взаимовлияний экологических систем.
4 - Изучение биосферы.
5 - Изучение человека в биосфере.
Развитие экологии началось с изучения среды, в которой обитают определенные виды, с изучением их отношений, симбиоза, отношений с другими видами. Это первая фаза в развитии экологии. В 20-30е годыполучает развитие исследование популяций, появляется понятие экосистемы как основной единицы изучения в экологии.
Во второй фазе развития экология сосредотачивается на изучении экосистем как функциональных природных образований, представляющих собой саморегулирующиеся системы с обратными связями, включающие сообщества живых организмов - растений, животных и окружающую их природную среду, с которой они находятся в постоянной взаимосвязи.
В третьей фазе своего развития экологические исследования направлены на изучение взаимодействия экосистем, которые все вместе составляют единое целое - биосферу.
Изучение биосферы - это четвертая фаза в развитии экологии.
Биосфера представляет собой среду обитания всех живых организмов и человека и вместе с тем она представляет единство всех экосистем на Земле, где они все связаны в единую систему с едиными законами.
В биосфере происходит круговорот материи через пищевые цепи.
В пятой фазе своего развития экология изучает положение человека в биосфере, его связи с экологическими системами и меры воздействия.
В процессе природопользования человек изменяет окружающую его среду, причем эти изменения зачастую носят непреднамеренно негативный характер и могут иметь неблагоприятные последствия в ближайшем и отдаленном будущем.
В орбиту человеческой деятельности вовлекаются все более расширяющийся спектр процессов, явлений и веществ природы, которые к тому же используются с нарастающей интенсивностью.
Особенно остро проблема взаимодействия человека и природы стала в последние 20 лет, когда в результате НТР масштабы хозяйственной деятельности человеческого общества стали сопоставимы по воздействию с процессами, происходящими в самой природе.
Хотя в основе всех современных направлений экологии лежат фундаментальные идеи биоэкологии как биологической науки об отношении живых организмов с окружающей их средой, сегодня экология уже вышла из ее рамок, сформировавшись в новую интегральную науку, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками, состоящую из ряда научных отраслей и дисциплин, подчас далеких от понимания экологии как биологической науки: экология глобальная, экология общая, экология промышленная (инженерная), экология человека, биоэкология, социальная экология, экология космическая, динамическая экология и т.д.
Предметом изучения общей экологии являются структура и общие законы функционирования экосистем (естественных и антропогенных) всех иерархических уровней, независимо от их размера и размещения.
Понятие экосистемы может включать и техногенные образования, например, экосистема поселка, города, промышленного комплекса, космического корабля и т.д.
Промышленная (инженерная) экология занимается изучением проблем воздействия промышленного производства на окружающую природную среду.
4.Основные экологические понятия и термины.
Экология (от греч. oikos - дом, жилище, местопребывание и logos - учение, наука) - наука об отношении растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Термин “экология” предложен в 1866 г. Эрнстом Геккелем, немецким биологом-эволюционистом. Объектом экологии могут быть популяции организмов, виды сообществ, экосистемы и биосфера в целом. В 20 веке в связи с усилившимся воздействием человека на природу экология приобрела особое значение как научная основа рационального природопользования и охраны живых организмов. С 70-х годов 20 века складывается экология человека, или социальная экология, изучающая закономерности взаимодействия общества и окружающей среды, а также практические проблемы ее охраны; включает различные философские, социальные, экономические, географические и другие аспекты. В этом смысле говорят об “экологизации” современной науки.
Основной (элементарной) функциональной единицей в экологии является ЭКОСИСТЕМА. Экосистема - это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и их средой обитания, в котором все компоненты связаны обменом веществ и энергии. Например: экосистема леса, экосистема озера, экосистема пня, экосистема моря. Термин “экосистема” предложен Д. Тенсли в 1935 г.
Экосистема характеризуется видовым составом и численностью организмов в ней, то есть особенностями популяции. ПОПУЛЯЦИЯ - совокупность живых организмов одного вида (имеющих одинаковый генофонд), обитающих на общей территории на протяжении многих поколений.
Часто экосистему отождествляют с биогеоценозом, но экосистема - понятие более общее. БИОГЕОЦЕНОЗ (от лат. bios - жизнь, geo - Земля, cenos - общий) - однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и неживых компонентов, объединенных в единую систему обменом веществ и энергии.
Компоненты биогеоценоза - биотоп и биоценоз.
БИОТОП - однородное по абиотическим факторам пространство среды, занятое биоценозом.
БИОЦЕНОЗ - объединение совместно проживающих живых организмов. Понятие “биоценоз” - условное, поскольку вне среды обитания организмы жить не могут, но им удобно пользоваться в процессе изучения экологических связей между организмами.
СРЕДА ОБИТАНИЯ - всё живое и неживое, что окружает организмы и с чем они непосредственно взаимодействуют.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ- элементы среды обитания, влияющие на существование и развитие организмов и на которые живые существа реагируют реакциями приспособления (за пределами способности приспособления наступает смерть).
Выделяют три основные группы экологических факторов:
1) Абиотические (от греч. а - затрудняющий, biotikos - живой) - совокупность неорганических условий среды обитания (неживая природная среда), включающая в себя факторы:
-химические (состав воздуха, воды, почвы и т.д.);
-физические (температура, свет, влажность, давление и т.п.).
2) Биотические - формы взаимодействий и взаимоотношений живых организмов (например, один организм является пищей для других).
3) Антропогенные - формы деятельности человека, которые оказывают воздействие на живые организмы непосредственно или косвенно (за счет изменения среды обитания).
На жизнедеятельность организмов негативно влияет как недостаток так и избыток уровней действия окружающих факторов (закон оптимума) (рис.1.1).
Одни и те же экологические факторы по разному влияют на организмы разных видов, живущих вместе. Для одних они могут быть благоприятными, для других - нет. Важным элементом является реакция организмов на интенсивность действия экологического фактора, негативное действие которого может возникать в случае избытка или недостатка дозы. Поэтому существует понятие “благоприятная доза” или зона оптимума фактора и зона пессимума (доза фактора, при которой организм находится в угнетенном состоянии).
Величина зон оптимума и пессимумов является критерием для определения устойчивости и приспособления организма к данному экологическому фактору. Эти свойства получили название экологической валентности. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ВАЛЕНТНОСТЬ - способность живого организма приспосабливаться к изменению условий среды обитания.
Согласно закону толерантности* (В. Шелфорд, 1913 г.) “Существование вида зависит как от недостатка так и от избытка какого-либо из факторов, которые имеют уровень, близкий к границе устойчивости данного организма”.
* от латинского tolerantia - терпение
Уровень восприятия
|
фактора
Рис. 1.1 Иллюстрация закона оптимума
Особенно важное значение имеют ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ или ЛИМИТИРУЮЩИЕ факторы, под которыми понимаются факторы, уровень которых приближается к границе устойчивости организма или его превышает.
Экологическая валентность разных видов может быть очень разной (северный олень выдерживает колебания температуры воздуха от -550С до +25-300С, а тропические кораллы погибают уже при изменении температуры воды на 5-60С). Согласно экологической валентности организмы делят на стенобионты (от греч. stenos - узкий) - с малой приспособляемостью к изменениям среды обитания (орхидеи, форель, глубоководные рыбы) и эврибионты (от греч. eurys - широкий) с большой приспособляемостью к изменениям (колорадский жук, мыши, крысы, волки, пырей).
Наиболее распространены организмы с широким диапазоном толерантности по отношению ко всем экологическим факторам. Наивысшая толерантность характерна для бактерий и сине-зеленых водорослей, выживающих в широком диапазоне температур, радиации, солености, рН.
Исключительно важное значение в экологии имеет закон ВНУТРЕННЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ - вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии** взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят, или в их иерархии.
 |
** иерархия - расположение и функциональное соподчинение элементов целого в порядке от высшего к низшему или наоборот.
Закон имеет целый ряд следствий:
1. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств экосистем) неизменно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер.
2. Взаимодействие вещественно-энергетических экологических компонентов (энергии, газов, жидкостей, субстратов, организмов, продуцентов, консументов и редуцентов), информации и динамических качеств природных систем количественно не линейно, т.е. слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильные отклонения в других (и во всей системе в целом).
3. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы. Проходя по иерархии снизу вверх - от места воздействия до биосферы в целом, - они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень.
4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в ее крупнейших подразделениях ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого-экономического потенциала, увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений. Искусственный рост эколого-экономического потенциала ограничен термодинамической устойчивостью природных систем.
Закон внутреннего динамического равновесия - одно из узловых положений в природопользовании. Пока изменения среды слабы и произведены на относительно небольшой площади, они или ограничиваются конкретным местом, или “гаснут” в цепи иерархии экосистем. Но как только перемены достигают существенных значений для крупных экосистем, они приводят к существенным сдвигам в этих обширных природных образованиях, а через них, согласно 2-му следствию, и во всей биосфере Земли. Будучи относительно необратимыми (3-е следствие), изменения в природе в конечном счете оказываются и труднонейтрализуемыми с социально-экономической точки зрения: их выправление требует больших материальных средств и физических усилий.
Сдвигая динамически равновесное состояние природных систем с помощью значительных вложений энергии (например, путем распашки и других агротехнических приемов), люди нарушают соотношение экологических компонентов, достигая увеличения полезной продукции (урожая) или состояния среды, благоприятного для жизни и деятельности человека. Если эти сдвиги “гаснут” в иерархии природных систем и не вызывают термодинамического разлада в данной природной системе, положение благоприятно. Однако излишнее вложение энергии и возникающий в результате вещественно-энергетический разлад ведут к снижению природно-ресурсного потенциала вплоть до опустынивания территории, происходящего без компенсации: вместо цветущих садов возникают пустыни.
Закон внутреннего динамического равновесия показывает, что человек в своем безудержном преобразовании природы должен быть крайне осторожен и предусмотрителен.
Рассмотренные выше термины, понятия и законы составляют лишь небольшую часть их, действующих в экологии. О некоторых других речь пойдет в следующих темах данного курса.