Охрана природы и основы экологии
Место экологии в системе биологических наук, связь её с другими науками. Морфологические, физиологические и поведенческие адаптации организмов к действию солнечных лучей с разной длиной волны. Биоценология и учение об экосистемах. Основы охраны природы.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.12.2013 |
| Размер файла | 126,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
27
Размещено на http://www.allbest.ru/
Раздел 1. История экологии
1.1 Место экологии в системе биологических наук, связь её с другими науками
Экология - один из сравнительно молодых и бурно развивающихся разделов биологии - изучает взаимоотношения организмов между собой и со средой обитания. Взаимодействие организмов со средой рассматривает каждая биологическая наука. Экология затрагивает лишь ту его сторону, которая обусловливает развитие, размножение и выживание особей, структуру и динамику популяций, и сообществ.
На определённом этапе развития наших представлений о природе произошло идейное сближение экологии с другими биологическими, да и не только биологическими, науками. Особенно тесные связи установились между экологией и физиологией. В результате выделилось и успешно развивается новое направление - экологическая физиология.
Произошло сближение экологии и морфологии. Экология связана с систематикой. Существует также взаимосвязь современной экологии с эволюционным учением и генетикой. На базе экологии развиваются биогеография, молодая наука этология (наука о поведении животных), палеоэкология и т.д.
Выясняя характер влияния физических факторов среды на организмы и ответные реакции последних, экология не обходится без таких небиологических наук, как климатология, метеорология, ландшафтоведение (физическая география). Геоморфология и почвоведение также сблизились с экологией, поскольку многие процессы образования и разрушения почв происходят под влиянием деятельности сообществ животных и растений.
Экология как общая биологическая наука также может быть расчленена на составные части: на экологию животных, экологию растений, экологию насекомых, экологию лесных пород. Экология - вполне самостоятельный раздел биологии, имеющий свои содержание, предмет, задачи и методы исследования.
1.2 Краткая история экологии с древнейших времён
Слово « экология» образовано то греческого «oikos», что означает дом (жилище, местообитание, убежище), и «logos» - наука. В буквальном смысле экология - это наука об организмах « у себя дома». Наука, в которой особое внимание уделяется «совокупности или характеру связей между организмами и окружающей средой». В настоящее время исследователи считают, что экология - это наука, изучающая отношения живых организмов между собой и окружающей средой, или наука, изучающая условия существования живых организмов, взаимосвязи между средой, в которой они обитают.
Экология приобрела практический интерес еще на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый индивидум для того, чтобы выжить, должен иметь определенные знания об окружающей его среде, о силах природы, растениях и животных. Как и другие области знания, экология развивалась непрерывно, но равномерно на протяжении всей истории человечества. Экологические представления возникли непосредственно в связи с практическими запросами человечества. Множество интересных сведений об экологическом мышлении того времени оставили нам древние египетские, индийские, тибетские и античные источники.
В средние века интерес к изучению природы ослабевает, заменяясь господством схоластики и богословием. Связь строения организмов с условиями среды толковались как воплощение воли бога.
Постепенно человечество начало открывать для себя все новые перспективы в освоении природы. Нужно было разобраться во всем многообразии флоры и фауны, оценить возможное хозяйственное значение открытых учеными экзотических видов.
Первые систематики - А. Цезальпин (1519 - 1603), Д. Рей (1623 - 1705), Ж. Турнефор (1656 - 1708) утверждали, что существует зависимость растений от условий и мест их произрастания и возделывания. Сведения о поведении, повадках, образе жизни животных, сопровождавшие описания их строения, называли «историей» жизни животных. Известный английский химик Р.Бойль (1627 - 1691) является первым ученым, осуществившим экологический эксперимент. Он опубликовал результаты сравнительного изучения влияния низкого атмосферного давления на различных животных.
В 1749 году шведский натуралист Карл Линней опубликовал диссертацию «Экономия природы». Заслуга Линнея прежде всего в том, что он впервые последовательно применил бинарную (двойную) номенклатуру, т.е. обозначил для каждого вида растений, животных и микроорганизмов двойное латинское название: первое означало название рода, второе - видовую принадлежность. Большое влияние на формирование экологических взглядов имел капитальный труд Жана Батиста Ламарка «Философия зоологии» (1809г.), в котором он затронул проблему воздействия внешних условий на « действия и привычки» животных.
По мере развития зоологии и ботаники происходило накопление фактов экологического содержания, свидетельствующего, что к концу18 века у естествоиспытателей начали складываться элементы особого, прогрессивного подхода к изучению явлений природы, об изменениях организмов в зависимости от окружающих условий и обусловленном их влиянием на многообразие форм.
Второй этап развития науки связан с крупномасштабными ботанико-географическими исследованиями в природе. Появление в начале 19-го столетия биогеографии способствовало дальнейшему развитию экологического мышления.
Таким образом, ученые 19 века анализировали закономерности организмов и среды, взаимоотношения между организмами, явления приспособляемости и приспособленности. Однако разрешение этих проблем, дальнейшее развитие науки экологии произошло на базе эволюционного учения Ч. Дарвина (1809-1882). Он по праву является одним из пионеров экологии. В книге «Происхождение видов» (1859) им показано, что « борьба за существование» в природе приводит к естественному отбору и является движущим фактором эволюции. Победа эволюционного учения в биологии открыла, таким образом, третий этап в истории экологии, для которого характерно дальнейшее увеличение числа и глубины работ по экологическим проблемам. В этот период завершилось отделение экологии от других наук.
Кто именно ввел сам термин «экология» в научный обиход - точно не известно. Пальма первенства отдается немецкому биологу Эрнсту Геккелю. В 1866 году молодой профессор в своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов», классифицируя разделы биологии, впервые употребил термин «экология».
Современный этап развития экологической науки характеризуется признанием того, что проблемы окружающей среды затрагивают все страны мира. Определились приоритетные проблемы глобального характера, такие как изменения, в озоновом слое атмосферы, повышенное накопление углекислого газа, загрязнение океана, которые не имеет политических границ и решение, которых возможно только при объединении усилий ученых многих стран.
Последний этап наиболее органичен и естественен для человека, поскольку он замыкает эволюционный цикл и восстанавливает природную роль и значение человека, а именно его органическую неразрывную связь с биосферой.
Раздел 2. Основы экологии
2.1 Аутэкология. Организм и среда
2.1.1 Понятие «экологический фактор». Примеры классификаций экологических факторов. Свет как экологический фактор. Морфологические, физиологические и поведененческие адаптации организмов к действию солнечных лучей с разной длиной волны.
Экологический фактор - любое условие среды, на которое живое реагирует приспособительными реакциями, это любой элемент среды, оказывающий прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их развития. По своей природе экологические факторы делят, по крайней мере, на три группы: - абиотические факторы - влияния неживой природы; - биотические факторы - влияния живой природы, - антропогенные факторы - влияния, вызванные разумной и неразумной деятельностью человека («антропос» - человек).
Человек видоизменяет живую и неживую природу, и берет на себя в известном смысле и геохимическую роль.
Абиотичесекие факторы: свет, температура, влажность и другие компоненты климата, состав воздуха, почвы и пр., т.е. элементы неживой природы.
Биотические факторы: живые тела, или организмы, всевозможные взаимодействия между ними.
Антропогенные факторы: вырубка леса, осушение болот, возведение плотины, выброс в атмосферу различных химических веществ и пр. (т.е. деятельность человека).
Разные экологические факторы действуют на организмы определенными путями. Соответственно организмы имеют морфологические, физиологические, поведенческие приспособления к ним.
Экологические факторы бывают разной интенсивности (в недостатке, в норме, или в избытке). Температура среды, например, бывает высокой, средней или низкой. Интенсивность фактора, при действии которого организм испытывает наиболее благоприятные воздействие на жизнедеятельность, называют оптимумом.
Отклонением от оптимума, как в сторону понижения, так и в сторону повышения интенсивности фактора вызывают угнетенное состояние организма (бывают верхние и нижние границы выносливости по каждому фактору).
Оптимум неодинаков для разных видов живых организмов (холодостойких и теплолюбивых, влагостойких и сухолюбивых, теневыносливых и светолюбивых и пр.). На организм одновременно действуют не один, а несколько факторов (их комплекс). При оптимальной температуре повышается выносливость к неблагоприятной влажности или недостатку пищи; обилие пищи увеличивает устойчивость к понижению температуры. Однако ни один из необходимых факторов не может быть заменен другим. Если какой-либо фактор выходит за пределы выносливости организма, то существование этого организма становится невозможным даже при других благоприятных условиях. Факторы, выходящие за пределы максимума или минимума выносливости, называются ограничивающими факторами.
Следует отметить, что в природе экологические факторы действуют комплексно. Важным есть также понятие лимитирующие факторы, то есть такие, уровень (доза) которых приближается к границе выносливости организма, концентрация которого низшая или высшая оптимальной. Это понятие затронуто законами минимума Либиха (1840 г) и толерантности Шелфорда (1913 г.). Наиболее часто лимитирующими факторами есть температура, свет, биогенные вещества, течения и давление в среде, пожары и т.п.
Действие экологических факторов всегда выражается в изменении жизнедеятельности организмов, а в конечном итоге, - приводит к изменению численности популяции. Это и позволяет сравнивать действие различных экологических факторов.
2.1.2 Представления Дж. Гринелла, Ч. Элтона, Г. Хатчинсона об экологической нише
В 1961 г. один из номеров журнала «American Naturalist» открылся статьей с интригующим заголовком «Планктонный парадокс». Ее автор -- известный американский эколог Дж. Э. Хатчинсон назвал парадоксальной ситуацию, складывающуюся в планктонных сообществах, поскольку она противоречит принципу конкурентного исключения. Согласно этому принципу, количество устойчиво сосуществующих видов не может превышать числа факторов, ограничивающих рост их популяций. Но в поверхностном слое водной толщи озер, где хватает тепла и света, нередко живут вместе десятки видов водорослей и цианобактерий, конкурирующих за крайне ограниченный набор ресурсов -- свет и несколько элементов минерального питания. К тому же, поскольку вода в поверхностном слое интенсивно перемешивается, обитающие в нем организмы разных видов не могут разойтись в пространстве, заняв, например, разные глубины, как это нередко бывает в водной толще, если она стратифицирована и неподвижна.
Ниша экологическая - такое понятие, включающее в себя не только физическое пространство, занимаемое организмом, но и функциональную роль организма в сообществе (например, его трофическое положение) и его положение относительно градиентов внешних факторов - температуры, влажности, pH, почвы и других условий существования.
Ниша экологическая - совокупность всех факторов среды, в пределах которой возможно существование вида в природе. Понятие «экологическая ниша» обычно применяют при исследовании взаимоотношений экологически близких видов, относящихся к одному трофическому уровню. Термин «экологическая ниша» предложен Дж. Гриннелом в 1917 году для характеристики пространственного распределения видов.
Понятие экологической ниши было введено для обозначения роли, которую тот или иной вид играет в сообществе. Под экологической нишей следует понимать образ жизни и, прежде всего способ питания организма. Экологическая ниша - абстрактное понятие, это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Она включает химические, физические и биотические факторы, необходимые организму для жизни, и определяется его морфологической приспособленностью, физиологическими реакциями и поведением.
Таким образом, экологическая ниша представляет собой совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование того или иного вида организмов. Экологическая ниша -- это не столько место обитания вида, сколько его положение в сообществе других организмов.
2.2 Популяционная экология
2.2.1 Понятие «популяция». Основные характеристики популяции. Демографические проблемы в популяции человека
Демэкология (экология популяций) -- описывает колебания численности различных видов под воздействием экологических факторов и устанавливает их причины, рассматривает особь не изолированно, а в составе группы таких же особей, занимающих определенную территорию и относящихся к одному виду. Объектом изучения демоэкологии, или популяционной экологии, служит популяция. Ее определяют как группу организмов одного вида (внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией), занимающую конкретное пространство и функционирующую как часть биотического сообщества. Популяция характеризуется рядом признаков; единственным их носителем является группа, но не особи в этой группе
Популяция - это совокупность особей одного вида, обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций.
Основные свойства популяций: самовоспроизводство, устойчивость (гомеостатичность), изменчивость.
Основные характеристики популяции: численность, плотность, рождаемость, смертность, темп роста и др.
Демографические показатели популяций: возрастная и половая структуры, рождаемость, смертность.
Так возрастная структура популяции является важной характеристикой влияющей на рождаемость и смертность. Соотношение разных возрастных групп зависит от двух причин: от особенностей жизненного цикла, вида и от внешних условий. Соотношение разных возрастных групп в популяции определяет ее способность к размножению в данный момент, причем обычно в быстро растущих популяциях значительную долю составляют молодые особи. Соотношение молодых особей у промысловых птиц и пушных зверей к численности всей популяции определяет во время охотничьего сезона размер допустимых квот на отстрел или отлов.
Условно в популяции можно выделить три экологические возрастные группы:
- пререпродуктивная группа особей, возраст которых не достиг способности воспроизведения;
- репродуктивная группа, воспроизводящая новые особи;
-пострепродуктивная особи, утратившие способность участвовать в воспроизведении новых поколений.
Длительность этих возрастов по отношению к общей продолжительности жизни сильно варьирует у разных организмов. Выделяют виды с простой возрастной структурой, когда популяция представлена организмами одного возраста, и виды со сложной возрастной структурой, когда в популяции представлены все возрастные группы или одновременно живут несколько поколений.
Численность и плотность выражают количественные характеристики популяции как целого. Численность популяции выражается числом особей данного вида, обитающих на единице занимаемой ею площади. Динамика численности популяций во времени определяется соотношением показателей рождаемости, смертности, выживаемости, которые в свою очередь определяются условиями жизни. Плотность популяции это величина популяции, отнесенная к единице пространства: число особей, или биомасса, популяции на единицу площади или объема. Плотность зависит от трофического уровня, на котором находится популяция.
Популяции не являются статичными образованиями. В них постоянно происходят процессы миграции, имеются колебания рождаемости и смертности и другие изменения. Эти процессы приводят к колебаниям численности популяции и изменению частот встречаемости различных признаков.
Негативные следствия стихийного хода демографических процессов с очевидностью требуют его упорядоченности. Единственной приемлемой для этого формой является регулирование рождаемости.
Появились программы, названные «планированием семьи», направленные на разработку действенных мер по снижению чрезмерно высокой рождаемости. Важно, что эти программы выполняются в странах с самой высокой численностью населения - Индии и Китае. Суть демографической политики «планирования семьи» заключается в настойчивом разъяснении экономических преимуществ малодетной семьи (1-2 ребенка) перед многодетной (5-10 детей), обучении населения пользованию противозачаточными средствами, а также в материальном и моральном поощрении семей, следующих этим рекомендациям.
Если стихийные демографические процессы станут управляемыми, в перспективе возможен демографический переход от прежнего неустойчивого баланса высокой смертности и высокой рождаемости к новому, более стабильному балансу низкой смертности и низкой рождаемости. Достижение этой цели во второй половине XXI в. позволит стабилизировать мировое население на уровне 12-15 млрд. человек. Это будет означать соответствие фундаментальному экологическому закону роста численности населения по наиболее оптимальному варианту, соответствующему предельной экологической емкости планеты.
2.2.2 Гомеостаз популяции и способы их поддержания. Группы факторов, регулирующих численность популяции
Способность популяции к авторегуляции носит название гомеостаза популяции. Обычно популяция находится именно в состоянии динамического равновесия, которое достигается за счет чередования положительных и отрицательных обратных связей. При росте численности особей сокращаются запасы пищи, что влечет уменьшение численности за счет увеличения смертности, а сократившаяся популяция позволяет накопить запасы пищи и ведет к увеличению рождаемости, т. е. росту численности и т. д. Таким образом, структурированность, интегрированность составных частей (особей) или целостность, авторегуляторные механизмы и способность к адаптациям -- это в целом определяет популяцию как биологическую систему надорганизменного уровня.
Плотность популяции обычно имеет определенный оптимум. При любом отклонении от этого оптимума начинают срабатывать механизмы ее внутрипопуляционной регуляции. Одним из основных механизмов, способствующих установлению в популяции устойчивой стабильности, служит действие зависимых от плотности факторов. Абиотические факторы так же влияют на смертность популяции, но самостоятельно не создают ей устойчивой стабильности.
Регуляция численности популяции у различных видов животных и растений осуществляется по-разному. Тем не менее, в каждой из них определенным путем устанавливается оптимум плотности.
Рост плотности популяции сопровождается уменьшением размеров особей, снижением их плодовитости, повышением смертности личинок и куколок изменением скорости развития и соотношения полов, а также увеличением количества диапаузирующих особей, что резко снижает активную часть популяции.
Достаточно изучена регулирующая роль внутривидовой конкуренции за ограниченные ресурсы. У падальных мух из огромного количества откладываемых на труп яиц выходит так много личинок, что пищи на всех не хватает. В результате катастрофически растет смертность в ранних возрастах. Сходное явление обнаружено у короедов (Scolytidae), муравьев-лазиусов (Lasius), у некоторых стрекоз (Odonata) и других насекомых.
В наиболее простых случаях внутрипопуляционные регуляторные механизмы численности проявляются в виде непосредственной конкуренции за необходимые для жизни ресурсы, количество которых недостаточно для удовлетворения потребностей всех особей. Известно, что плотность популяции яблонной плодожорки и капустной моли регулируется конкуренцией за пищу и места для окукливания. Внутривидовая конкуренция у некоторых мух в случае возрастания плотности популяции до определенного уровня приводит к падению массы куколок, что сопровождается повышенной смертностью.
Важной является проблема «минимальной жизнеспособности популяции», суть которой состоит в определении минимальной численности популяции, которая гарантировала бы ее существование в течение какого-то длительного периода. В тоже время падение плотности популяции ниже уровня оптимума, например при усиленном истреблении крыс, вызывает повышение плодовитости и стимулирует их более раннее половое созревание.
Изменение плотности популяции может иметь рефлекторное, или сигнальное действие. В случаи высокой плотности такая сигнализация регулярным путем приводит к сокращению численности популяции, а при малой плотности - ее усиленному размножению и росту.
Однако следует учитывать, что популяция обычно входит в состав сообщества и что устойчивое существование биоценозов возможно только при определенных количественных соотношениях всех компонентов. Этим и вызвано необходимость регуляции численности, обеспечивающей устойчивое состояние, как отдельных популяций, так и биоценозов в целом. Механизмы регуляции численности популяций, основаны на сложных межвидовых взаимоотношениях.
2.3 Биоценология
2.3.1 Понятие «биоценоз». Типы биотических отношений в сообществе по В.Н. Беклемишеву и по Ю. Одуму
Популяции разных видов взаимодействуют между собой. В ходе взаимодействия они объединяются в сложные системы - биоценозы.
Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой и средой проживания. Компоненты, образующие биоценоз, взаимозависимы. Изменения, касающиеся только одного вида, могут сказаться на всем биоценозе и даже вызвать его распад. Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы (сообщества) - биогеоценозы.
Следует отметить, что в современной науке системная парадигма (господствующая теоретическая концепция, система взглядов) \доминирует, а в экологии системный подход к рассмотрению объектов живой природы является основным.
Основу возникновения и существования биоценозов представляют отношения организмов, их связи, в которые они вступают друг с другом, населяя один и тот же биотоп (местообитание биоценоза, от латинского bios - жизнь, top - место). Эти связи определяют основное условие жизни в сообществе, возможность добывания пищи и завоевывания нового пространства.
Живые организмы поселяются друг с другом не случайно, а образуют определенные сообщества, приспособленные к совместному обитанию. По направленности действия на организм все воздействия подразделяются на позитивные, негативные и нейтральные.
Позитивные отношения. Симбиоз - сожительство (от греческого sym - вместе, bios - жизнь) - форма взаимоотношений, при которых оба партнера или один из них извлекает пользу от другого. Есть несколько форм симбиоза: кооперация, мутуализм, комменсализм, квартирантство.
Негативные отношения. Антибиотическая форма взаимоотношений, при которой обе взаимодействующие популяции или одна из них испытывают отрицательное влияние. Отношения хищник - жертва, паразит - хозяин - это прямые пищевые связи, по существу к этому типу экологических взаимодействий можно отнести все варианты пищевых связей.сюда относятся такие формы, как хищничество, паразитизм. конкуренция (внутривидовая и межвидовая).
Нейтральные отношения. Форма взаимоотношений, при которых обитающие на одной территории организмы не влияют друг на друга. При нейтрализме особи разных видов не связаны друг с другом непосредственно, но, формируя биоценоз, зависят от состава сообщества в целом. Например, белки и лоси, обитая в одном лесу, не контактируют друг с другом, однако состояние леса сказывается на каждом из этих видов.
Все перечисленные формы биологических связей между видами служат регистраторами численности животных и растений в биоценозе, определяя степень его устойчивости; при этом, чем больше видовой состав биоценоза, тем устойчивее сообщество в целом. За счет видового разнообразия сообщество обеспечивает себе как бы резерв выживаемости на случай неожиданных изменений условий жизни.
2.4 Биоценология и учение об экосистемах
2.4.1 Понятие «биогеоценоз» и «экосистема». Структура биогеоценоза по В.Н. Сукачёву
Понятие «экосистема» введено английским ботаником А. Тенсли (1935), который обозначил этим термином любую совокупность совместно обитающих организмов и окружающую их среду.
По современным представлениям, экосистема как основная структурная единица биосферы -- это взаимосвязанная единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания, или уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды. В этом определении подчеркнуто наличие взаимоотношений, взаимозависимости, причинно-следственных связей между биологическим сообществом и абиотической средой, объединение их в функциональное целое. Биологи считают, что экосистема -- совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории, вместе с окружающей их неживой средой.
В.Н. Сукачевым (1972) в качестве структурной единицы биосферы предложен биогеоценоз. Биогеоценозы -- природные образования с четкими границами, состоящие из совокупности живых существ (биоценозов), занимающих определенное место. Для водных организмов -- это вода, для организмов суши -- почва и атмосфера.
Понятия «биогеоценоз» и «экосистема» до некоторой степени однозначны, но они не всегда совпадают по объему. Экосистема -- широкое понятие, экосистема не связана с ограниченным участком земной поверхности. Это понятие применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонентов, где происходит внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Так, к экосистемам относятся капля воды с микроорганизмами, аквариум, горшок с цветами, аэротенк, биофильтр, космический корабль. Биогеоценозами же они не могут быть. Экосистема может включать и несколько биогеоценозов (например, биогеоценозы округа, провинции, зоны, почвенно-климатической области, пояса, материка, океана и биосферы в целом). Таким образом, не каждую экосистему можно считать биогеоценозом, тогда как всякий биогеоценоз является экологической системой.
Масштабы экосистем различны: микросистемы (например, болотная кочка, дерево, покрытый мхом камень или пень, горшок с цветком и т.п.), мезоэкосистемы (озеро, болото, песчаная дюна, лес, луг и т.п.), макроэкосистемы (континент, океан и т.п.). Следовательно, существует своеобразная иерархия макро-, мезо- и микросистем разных порядков.
Биосфера -- экосистема высшего ранга, включающая, как уже было отмечено, тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы в пределах «поля» существования жизни. Она имеет громаднейшее разнообразие сообществ, в структуре которых обнаруживаются сложные сочетания растений, животных и микроорганизмов с разными способами жизни.
Для наземных экосистем установлена следующая иерархия: биосфера -- экосистема суши -- климатический пояс -- биоклиматическая область -- природная ландшафтная зона -- природный (ландшафтный) округ-- природный (ландшафтный) район -- природный (ландшафтный) подрайон -- биогеоценотический комплекс -- экосистема. Экосистемы, измененные деятельностью человека, называют агроэкосистемами (полезащитные лесные полосы, поля, занятые сельскохозяйственными культурами, сады, огороды, виноградники и др.). Их основой являются культурные фитоценозы -- многолетние и однолетние травы, зерновые и другие сельскохозяйственные культуры. Они получают дополнительную энергию в виде обработки почвы, внесения удобрений, поливных вод, пестицидов и от других мелиорации, что существенно преобразует почвы, изменяет видовой состав, структуру флоры и фауны. В результате взамен устойчивых экосистем формируются менее устойчивые. Дотации энергии новым агроэкосистемам, возможности мелиорации природных экосистем должны основываться на нормах соотношения пашни, лугов, леса и вод в соответствии с почвенно-климатическими и хозяйственными условиями, а также на законах, правилах и принципах экологии.
2.4.2 Энергетика экосистемы: движение вещества, энергии и информации. Экологические пирамиды и их виды
Экосистема включает в себя все живые организмы, совместно функционирующие на какой-либо конкретной территории, а также из компонентов неживой природы, определяющих характер местности, в которой расположена экосистема. Организменная часть экосистемы взаимодействует с ее неживыми составляющими, в результате чего под воздействием энергии, притекающей извне, происходит круговорот веществ между живой и неживой частями экосистемы и складывается ее внутренняя структура. Экосистема -- основная функциональная и структурная единица живой природы, носитель ее элементарных свойств.
В любой экосистеме следует выделить несколько составляющих ее компонентов. Первый из них -- неорганические вещества (углерод, кислород, азот, углекислый газ, вода и т.д.). Затем следуют органические соединения (белки, липиды (жиры), углеводы и др.), являющиеся связующим звеном между живой (биотической) и неживой (абиотической) частями экосистемы. К важным ее элементам относятся и физические факторы абиотической среды (температура, влажность, давление и др.). Биотическая часть экосистемы состоит из живых организмов, подразделяющихся на три основные категории:
1) Продуценты -- организмы, поддерживающие свою жизнедеятельность, путем производства из неорганических веществ органические при помощи химической реакции фотосинтеза, для осуществления которой необходим приток световой энергии.
2) Консументы -- живые существа, поедающие другие организмы или частицы органического вещества и, таким образом, обеспечивающие себя необходимой энергией.
3) Редуценты -- организмы, питающиеся останками растений и животных (т.е. органическим веществом) и разлагающие их до простых минеральных веществ, которые могут легко усваиваться продуцентами.
Первые три вышеназванных компонента представляют собой абиотическую составляющую экосистемы, последние же три являются ее организменной частью. Причем продуценты называют автотрофами, так как они самостоятельно вырабатывают органическое вещество, а консументы и редуценты относятся к гетеротрофам, то есть к организмам, потребляющим готовое органическое вещество. Продуценты, консументы и редуценты образуют собой так называемую биомассу. Совокупность всех шести данных элементов складывают собой структуру экосистемы.
Одно из определений энергии характеризует ее, как общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи, благодаря чему все явления природы связаны воедино. Изменение энергии какой -- либо системы происходит при совершении работы. Иными словами, энергия -- это способность совершать работу. Свойства энергии описываются первым и вторым законами термодинамики.
Первый закон термодинамики сводится к следующему утверждению: энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново. Данный закон называют также законом сохранения энергии. Этому закону подчиняются все известные процессы в природе.
Второй закон термодинамики гласит: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда меньше 100%. Количественная мера энергии, которая становится недоступной для использования, называется энтропией. Способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией -- важнейшая характеристика экосистемы. Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией. При этом они уменьшают энтропию внутри себя, но увеличивают ее снаружи, в соответствии с законами термодинамики. Следовательно, энергетика экосистемы -- это непрерывный процесс, в ходе которого энергия поступает в экосистему извне, подвергается преобразованию в ней и выделяется из нее.
Экологическая пирамида - графическое изображение соотношения между продуцентами, консументами и редуцентами в экосистеме, которое выражается в единицах массы (сырой биомассы - пирамида биомасс), в числе особей (пирамида чисел Элтона) или заключенной в особях энергии (пирамида энергий). В наземных экосистемах количественные показатели продуцентов на единицу площади выше, чем консументов, консументов первого порядка больше, чем консументов второго порядка, и т.д., поэтому графическая модель, где каждый компонент выражен в виде прямоугольника, имеет вид пирамиды, широким основанием повернутой к потоку энергии, идущему от Солнца. Если те же показатели выразить в глобальном числе видов (или особей) по горизонтали, а их биомассу по вертикали и придать этим прямоугольникам форму цилиндров, то получится экологический «волчок жизни», смысл которого заключается в том, что консументы служат «балансиром» (управляющим звеном) в экосистеме, обеспечивающим надежность ее работы (подобно устойчивости заведенного волчка).
С помощью экологических пирамид можно изучать изменения, происходящие в экосистемах, а также взаимоотношения видов. В экологической пирамиде каждый прямоугольник означает определенный трофический уровень. Экологические пирамиды бывают трех типов:
1) Пирамиды численности - показывают количество особей на каждом уровне. Такие пирамиды удобны тем, что для их создания требуется только подсчет особей. Но неудобство этих пирамид в том, что могут возникать перевернутые пирамиды в цепях паразитов.
2) Пирамиды биомассы - показывают общую массу особей на каждом уровне на данный период. Такие пирамиды составлять труднее, и они тоже могут быть перевернутыми, т.к. одинаковое количество биомассы разных видов может синтезировать различное количество энергии.
3) Пирамиды энергии - отображают скорость синтеза энергии на каждом трофическом уровне. Они являются фундаментальными пирамидами, т.к. не бывают перевернутыми, но для их составления требуется много данных.
2.4.3 Динамика экосистем: линейные и циклические процессы
Несмотря на то, что многие экологи не склонны относить экосистемы к «сверхорганизмам», между развитием экосистем и развитием живых организмов имеется множество параллелей. Как и любые организмы, экосистемы рождаются, старятся и умирают, точнее, структурно перестраиваются или замещаются другими экосистемами. Выявлена масса закономерностей протекания этих процессов, которые своей повторяемостью свидетельствуют о наличии достаточно однозначных «программ» развития экосистем в том или ином регионе.
Как уже не раз отмечалось, ход развития определяется совокупностью факторов среды. В одинаковых условиях развиваются одинаковые по структуре экосистемы. Это своего рода давление надсистемы на эволюционирующую экосистему (макроуровень). Кроме того, следует учесть и характер законов природы, «зашитых» в формах организации материи, из которых строится экосистема, лежащих в основе всех механизмов природных явлений (микроуровень). Кто-то склонен переоценивать роль надсистемы в эволюции подсистем, считая, что развитие подсистем целиком подчинено требованиям более высокоуровневой организации (холистический подход). Кто-то, наоборот, категорически отрицает роль каких-либо надсистем, сводя всю динамику экосистем к механизмам межвидовых и внутривидовых отношений, генетической изменчивости, к борьбе за выживание и т.п. (редукционистский подход). Ни тот ни другой путь не дает полного понимания происходящих процессов, о чем свидетельствует бесконечный спор между сторонниками обеих концепций (аналогично спору между идеалистами и материалистами в философии).
Любая экосистема постоянно находится в состоянии динамики (изменений), вызванной как изменением факторов среды, то есть внешними возмущениями, так и внутренними процессами. При этом удобно различать циклическую динамику и поступательную. К разряду циклической динамики можно отнести:
1) суточную динамику, связанную с изменением активности растений и животных в течение суток: изменения в фотосинтезе, транспирации (испарение воды с поверхности листьев), у животных это смена периодов активности и сна и т.п.;
2) сезонную динамику (смена периодов вегетации и покоя), связанную с сезонными колебаниями: смена времен года, периодов дождей и засухи, муссонная периодичность и т.п.;
3) многолетнюю цикличность, вызванную, например, периодичностью солнечной активности (период порядка 10-11 лет), или же какими-то другими колебаниями с многолетним периодом, например, цикл Эль-Ниньо, который приводит к усилению ураганов, обрушивающихся на Южную Америку с периодичностью 5-7 лет, и т.п.
Особого внимания заслуживает поступательная динамика экосистем, или развитие. Обычно развитие сопровождается последовательным рядом изменений видовой и трофической структур экосистемы, всей ее организации, что позволяет даже говорить о последовательной смене экосистем, поэтому данный процесс называется сукцессией (от латинского слова сукцессио - преемственность, наследование). В зависимости от причин сукцессии различают экзодинамические (от греческого слова эксо - снаружи) сукцессии, вызванные внешними по отношению к данной экосистеме факторами, и эндодинамические (от греческого слова эндон - внутри) сукцессии, вызванные внутренними механизмами экосистемы (в теории управления различают вынужденную и свободную составляющие динамического процесса, которые соответствуют двум видам сукцессии экосистем).
2.5 Учение о биосфере
2.5.1 Понятие «биосфера». Пространственные границы биосферы. Типы вещества биосферы. Роль живого вещества в жизни планеты
Биосфера - это особая термодинамическая открытая оболочка Земли, вещество, энергетика и организация которой и обуславливаются взаимодействием её биотического и абиотического компонентов. Она, следовательно, включает совокупность организмов и их остатки, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые организмами и изменяемые их деятельностью.
Важнейшей функцией биосферы является регулярное, возрастающее во времени воссоздание живого вещества по численности, весу и количеству аккумулированной и удерживаемой энергии. Человек воспринимает эту функцию как биологическую продуктивность биосферы, её частей (океан, почвы, пресные воды) или её отдельных экосистем и биогеоценозов (дельты, луга, тайга, поля зерновых и т.д.).
Верхняя граница биосферы, по Вернадскому (1965), проходит на высоте 15-20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы: озон находится у полюсов в слое 8 -30 км, в тропиках 15-35 км. Снизу Биосфера ограниченна отложениями на дне океанов (до глубины свыше 10 км.) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии. Подстилающая литосфера, верхняя стратосфера, ионосфера и космическое пространство служат биосфере средой. Основной энергетический источник, обеспечивающий функционирование биосферы, - лучистая энергия Солнца.
В.И. Вернадским введены понятия живого и косного вещества, составляющих биосферу, живых, косных и биокосных природных тел.
Согласно представлениям Вернадского, живые организмы без пропусков заполняют всю поверхность планеты. Размножением, питанием и дыханием они создают определённое давление на среду, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов. Они выполняют в биосфере строго определённые биогеохимические функции для поддержания жизни на Земле.
Более подробно В.И. Вернадский определяет понятие живого вещества в работе «О коренном материально-энергетическом отличии живых и косных естественных тел биосферы». Он отмечает два различных подхода к изучению явлений жизни - биогеохимический подход, когда живого вещество рассматривается как математически выраженная совокупность средних живых организмов, и подход других биологических наук, где изучается главным образом отдельные усреднённые живые организмы. Кроме того, вводятся понятия однородного живого вещества (родовое, видовое и т.п.) и неоднородного живого вещества (лес, степь, биоценоз вообще), являющегося смесью однородных живых веществ.
2.5.2 Будущее биосферы: представление о ноосфере
Развитие человеческого общества ускоряется с каждым десятилетием. Интенсивно растёт численность населения планеты. Индустриализация сопровождается колоссальным потреблением природных ресурсов и глубокими изменениями природной среды. Распашка больших территорий суши, использование под пастбища, вырубка лесов, сооружение плотин и каналов, оросительных систем, обширные горно-геологические разработки, эрозия почв, применение удобрений, пестицидов, мелиорации, загрязнение почв, водоёмов и атмосферы индустриальными отходами и многие другие виды деятельности человека вносят в природу большие изменения, которые нарушают сложившиеся системы и отношения в биосфере Земли. Часто эти изменения имеют негативный и, что особенно опасно для будущего человечества, необратимый характер.
Подобные нарушения в биосфере Земли, её контаминация, перерасход её ресурсов губительны для всего живого, в том числе и для самого человечества.
Наступило время, когда государства, используя рекомендации современной науки, должны разрабатывать и планомерно осуществлять мероприятия по охране биосферы Земли и рациональному использованию и расширению воспроизводства её ресурсов. Рекомендация по охране и использованию ресурсов биосферы должны основываться на знании структуры, состава и механизмов поддержания устойчивого состояния биосферы.
Влияние присутствия и деятельности человека на облик планеты Земля на протяжении относительно краткого периода истории самого человека динамично и разнообразно.
При нормальных условиях биологическим механизмам приспособляемости оказывают сильную поддержку механизмы, которые не требуют никаких изменений в биологической природе человека. Во всём мире самые перенаселённые, загрязнённые и жестокие города обладают наибольшей притягательной силой, население их растёт быстрее всего. Экономическое богатство производится мужчинами и женщинами, работающими в условиях крайнего нервного напряжения, среди адского шума мощного оборудования, пишущих машинок и телефонов, в атмосфере, отравленной химическими испарениями или табачным дымом. С точки зрения физиолога, реакция на напряжение окружающей среды является проявлением приспособляемости, когда выражается в стремлении ослабить раздражающее влияние напряжения на тело и мозг. С физиологической и психологической точек зрения такие приспособительные реакции обычно способствуют благосостоянию организма в момент их проявления; однако у человека они обычно сопровождаются побочными явлениями, которые в конечном итоге вредны. Человек может выработать какую-то форму выносливости по отношению к загрязнению окружающей среды, чрезвычайному эмоциональному воздействию, чрезмерным и обострённым социальным контактам, отчуждению жизни от естественных биологических циклов и другим последствиям жизни в условиях городов и развитой техники. Эта выносливость позволяет ему преодолеть воздействия, которые являются неприятными и травматическими, когда он их впервые испытывает. Однако во многих случаях эта выносливость достигается ценой большого физического и психического напряжения, что в конечном итоге может привести к хроническим и дегенеративным расстройствам, которые обычно поражают людей среднего и пожилого возраста даже в самых процветающих странах.
...Подобные документы
Социально-политическая роль экологии в обществе. Процесс и механизм передачи энергии в экосистемах, последствия его нарушения. Система экологических нормативов и стандартов. Методы контроля качества воды. Экономический механизм охраны окружающей среды.
контрольная работа [19,5 K], добавлен 07.10.2013Предмет, задачи, методы исследования экологи. Структура современной экологии, ее связь с другими науками. Уровни организации живых систем. Взаимодействие природы и общества. Виды и методы экологических исследований. Основные экологические проблемы.
реферат [71,5 K], добавлен 10.09.2013Предмет и задачи экологии. Аутэкология, синэкология и популяция в экологии. Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах. Охрана природы и концепция устойчивого развития, рациональное природопользование и современные экологические проблемы.
курс лекций [99,6 K], добавлен 26.10.2012Основные этапы развития экологии: накопление информации о животном и растительном мире, открытие новых континентов; систематизация знаний; становление науки. Структура современной экологии, ее взаимосвязь с другими естественными и общественными науками.
презентация [842,6 K], добавлен 02.12.2013Биосферы как среда жизни и деятельности людей. Рациональное использование, правовые основы охраны водных ресурсов, недр и атмосферы. Распределение и запасы минерального сырья в мире и в России. Государственная политика и управление в области экологии.
курсовая работа [34,4 K], добавлен 11.02.2014История зарождения и этапы становления экологии как науки, оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний, превращение экологии в комплексную науку. Возникновение новых направлений науки: биоценология, геоботаника, популяционная экология.
реферат [20,8 K], добавлен 06.06.2010Государственная политика защиты окружающей природной среды. Правовая охрана природы. Органы управления, контроля и надзора по охране природы, их функции. Задачи и полномочия органов управления Российской Федерации и ее субъектов в области охраны природы.
реферат [26,3 K], добавлен 09.11.2010Основы экологии человека: понятия и термины. Взаимосвязь экологии человека с проблемами сохранения здоровья. Главные аксиомы экологии. Понятие зоны экологической стабильности, нестабильности. Важнейшие современные антропогенные экосистемы, их особенности.
реферат [46,1 K], добавлен 24.12.2014Основные этапы становления экологии как науки, популяции, биоценозы, экосистемы как объекты ее исследования. Разработка принципов рационального использования природных ресурсов. Классификация методов исследований в экологии, ее связь с другими науками.
реферат [77,2 K], добавлен 26.09.2012Размышление преподавателя о важности введения предмета "Экология" в программу общеобразовательной школы. Главное для учителя биологии и экологии, чтобы дети научились видеть проблемы охраны природы, размышлять, пытались как-то сами изменить ситуацию.
статья [10,9 K], добавлен 28.02.2008Проблемы экологии как науки. Среда как экологическое понятие, ее основные факторы. Среды жизни, популяции, их структура и экологические характеристики. Экосистемы и биогеоценоз. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Охрана окружающей среды.
методичка [66,2 K], добавлен 07.01.2012Философский образ природы от древности до современности. Основы системы: природа – биосфера – человек. Современные проблемы экологии. Явления и объекты природы. Представления о биосфере как о космическом явлении. Человек как универсальная сила природы.
реферат [21,2 K], добавлен 05.09.2009Проблема рационализации природопользования и охраны окружающей природной среды. Основные принципы международного сотрудничества в области экологии. Международные конвенции и соглашения, посвященные проблемам охраны природы и участие в них России.
реферат [43,5 K], добавлен 22.11.2010Объект экологии, ее место среди других наук. Основные экологические проблемы. Законы и закономерности взаимодействия надорганизменных биологических систем (популяция), биоценоз (сообщество), биогеоценоз (экосистема), биом, биосфера) с окружающей средой.
презентация [3,8 M], добавлен 07.12.2016Структура современной экологии, основные экологические понятия и термины. Учение В.И. Вернадского о биосфере, биогеохимические циклы. Антропогенный фактор в биосфере и основы социоэкологии. Последствия загрязнения атмосферного воздуха и водных ресурсов.
курс лекций [60,7 K], добавлен 15.02.2012Ухудшение природной обстановки. Мероприятия, связанные с охраной природы. Законы американских ученых. Новые экосистемы, созданные человеком. Всемирная стратегия охраны окружающей среды. Экономическое, историческое и социальное значение охраны природы.
контрольная работа [44,6 K], добавлен 20.10.2013Роль природы в жизни человека и общества. Ошибочные тенденции в природопользовании. Антропогенные факторы изменения природы. Законы экологии Б. Коммонера. Глобальные модели-прогнозы развития природы и общества. Концепция экологического императива.
реферат [41,0 K], добавлен 19.05.2010Объект экологического права, объекты природы и их отличия от антропогенных объектов. Квалификация предмета материального мира в качестве природного объекта. Выброс вредных веществ и очистные сооружения. Древесные отходы в водоохранной зоне реки Вотгань.
задача [12,3 K], добавлен 16.09.2010Мероприятия по охране дикой природы. Особо охраняемые природные территории и правовая основа охраны дикой природы в России. Юридическая ответственность за нарушения режима использования и охраны. Всемирный фонд дикой природы и его деятельность.
реферат [40,6 K], добавлен 12.11.2012Объекты и принципы охраны окружающей среды. Проблема обеспечения сбалансированного взаимодействия человека и природы. Организационные основы государственной деятельности в сфере экологии. Основные направления современной экологической политики РФ.
курсовая работа [29,9 K], добавлен 23.12.2013
