Место экологии в системе биологических наук, связь её с другими науками

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.

Литература (обязательная):

          Литература:

1. Биологический энциклопедический словарь, М.: Большая Российская Энциклопедия, 1986
2. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. СПб.: ДЕАН, 1999
3. Новиков Г.А. Очерки истории экологии животных. М.: Наука, 1980
4. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975
5. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. М.: Просвещение, 1988.

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.

          Литература:

6. Биологический энциклопедический словарь, М.: Большая Российская Энциклопедия, 1986
7. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. СПб.: ДЕАН, 1999
8. Новиков Г.А. Очерки истории экологии животных. М.: Наука, 1980
9. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975
10. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. М.: Просвещение, 1988.

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ.

Тема 1. Аутэкология. Организм и среда.

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.

          Литература:

1. Биологической энциклопедический словарь, М.: Большая Российская энциклопедия, 1986.
2. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. СПб.: ДЕАН, 1999.
3. Горышина Т.И. Экология растений. М.: Высшая школа, 1979.
4. Дажо Р. Основы экологии. М.: Прогремм, 1975.
5. Наумов Н.П. Экология животных. М.: Высшая школа, 1963.
6. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. М.: Просвещение, 1988.

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.

Литература.

7. Биологической энциклопедический словарь, М.: Большая Российская энциклопедия, 1986.
8. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. СПб.: ДЕАН, 1999.
9. Горышина Т.И. Экология растений. М.: Высшая школа, 1979.
10. Дажо Р. Основы экологии. М.: Прогремм, 1975.
11. Наумов Н.П. Экология животных. М.: Высшая школа, 1963.
12. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. М.: Просвещение, 1988.
13. Шилов И.А. Экология М.: Высшая школа, 1998.

Тема 2. Популяционная экология.

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.

           Литература:

1. Агаджанян Н.А., Торшин В.И. Экология человека. М.: КРУК, 1994
2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. М.: ЮНИТИ, 1998
3. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. СПб.: ДЕАН, 1999
4. Дажо Р. Основы экологии. М.: Прогресс, 1975
5. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975
6. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. В 4 кн. М., 1994

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.

          Литература:

7. Агаджанян Н.А., Торшин В.И. Экология человека. М.: КРУК, 1994
8. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. М.: ЮНИТИ, 1998
9. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. СПб.: ДЕАН, 1999
10. Дажо Р. Основы экологии. М.: Прогресс, 1975
11. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975
12. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. В 4 кн. М., 1994

Тема 3. Биоценология.

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.

Тема 4. Биоценология и учение об экосистемах.

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.