Проблемы современной экологи

1. Что такое экология? Какой  ученый предложил  термин «экология» и  когда? Структура общей экологии.

      Немецкий  биолог Эрнст Геккель в 1866 г. предложил термин экология ("ойкос"- дом и "логос"- наука) как наука о доме, о хозяйствовании в нем. Сегодня классическая экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов между собой и с окружающей их средой. Основным объектом исследования экологии являются экосистемы. Самой крупной в иерархии экосистем является биосфера. Учение о биосфере - это обширная область знания о функционировании и развитии биосферы, включающая в себя целый ряд научных направлений естественнонаучного и общественного профиля. Учение о биосфере включает в себя общую экологию, которая состоит из четырех основных разделов: биоэкологии, геоэкологии, экологии человека и прикладной экологии.

      Современная экология представляет собой значительный цикл знаний, вобравшей в себя разделы  биологии (физиология, биохимия, генетика и др.), небиологических наук (географии, геологии, химии, физики), социологии, психологии, культурологии, экономики, педагогики, юридических и технических наук.

2. Что такое прикладная экология? В чем состоит сходство и различие между инженерной и промышленной экологией?

      Прикладная  экология - это комплексом дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеком и природой. Она исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы. Инженерная экология изучает законы формирования техносферы и способы инженерной защиты природной среды.

      Техносфера – это часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в инженерно технические сооружения: города, заводы, фабрики, карьеры и шахты, дороги, плотины, водохранилища и т.д.

      Промышленная  экология – раздел экологии – наука о взаимном влиянии промышленности и транспорта на природу.

      Сельскохозяйственная  экология – раздел экологии, формирующий экологические критерии и нормативы в с/х. 

3. Урбанизация. Общая характеристика городской экосистемы.

      Урбанизация (от лат. урбанус - городской) – 1). сосредоточение населения и экономической жизни в городах, рост городов; 2). приобретение сельской местности черт, свойственных городам или это процесс роста городов, увеличения городского населения, превращения городских агломератов в мегаполисы.

      Агломерат (от лат. агломераре – присоединять, накапливать) – группировка поселений городского типа, составляющая единую социально-экономическую и экономическую систему, объединенную в одно целое интенсивными производственными, трудовыми, культурно-бытовыми и реакреационными связями.

      Мегаполис (от греч. мегаес – большой и полис - город) – это «сверх город», гигантский город, образовавшийся в результате роста и слияния многих городов и населенных пунктов, численность населения мегаполиса составляет более 1 млн. человек.

      Урбаэкология  - экология городов, городского населения (включая экологию человека), занимающаяся изучением способов наилучшего расселения людей в городах и других населенных пунктах с учетом интересов населения и сохранения природной среды. Городские экосистемы гетеротрофны, доля солнечной энергии, фиксированная городскими растениями или солнечными батареями, расположенными на крышах домов, незначительна.

      Основные  обитатели городов

      1. Растения (продуценты) в составе городских экосистем растут в лесопарках, парках, садах, на газонах, но их главное назначение - не производство органического вещества (древесины, сена, съедобных плодов и т.д.), а регулирование газового состава атмосферы. Они выделяют кислород, поглощают диоксид углерода и очищают атмосферу от вредных газов и пыли, попадающих в нее при работе промышленных предприятий и транспорта. Растения имеют также большое эстетическое и декоративное значение.

      2. Животные (консументы) в городе представлены не только обычными в естественных экосистемах видами (в парках живут птицы: горихвостка, соловей, трясогуска, зяблик, славки, млекопитающие: полевки, белки и представители других групп животных), но и особой группой городских животных - спутников человека. В ее составе находятся птицы (воробьи, скворцы, ласточки, вороны, галки, голуби), грызуны (крысы и мыши) и насекомые (тараканы, клопы, моль, мухи) и др. Многие животные, связанные с человеком, питаются отбросами на помойках (галки, воробьи, вороны). Это - санитары города.

      3. Микроорганизмы, осуществляющие разложение органических отходов. 

4. Что такое экологические  факторы? Виды экологических  факторов.

      Экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями, за пределами способности приспособления наступает смерть.

      Экологические факторы воздействуют на живые организмы:

      1. как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций,

      2. как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях,

      3. как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.

      Все факторы действуют на организмы  совместно. При этом результат воздействия одних факторов часто зависит от других.

      Две основные группы экологических факторов: абиотические и биотические. Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в две крупных категории: факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы – биотические, или биогенные. Первая включает факторы климатические (температура, свет, влажность, давление и др.), физические свойства почвы и воды. Ко второй относятся факторы питания и различные формы взаимодействия особей и видов между собой (хищничество, конкуренция, паразитизм и др.). Однако подобное подразделение не представляется исчерпывающим. Действительно, иногда бывает трудно отнести данный фактор к той или иной группе.  

5. Абиотические  и биотические  факторы.

      Абиотические  факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

      Абиотические  факторы подразделяют на: климатические (атмосферные), факторы водной среды, эдафические (почвенные), топографические (рельефные) и огонь (пожары).

      К климатическим факторам относятся температура, количество осадков, влажность, ионизирующее излучение, газовый состав, прозрачность, ветер, атмосферное давление.

      К факторам водной среды относятся плотность, вязкость, течения, температура, содержание минеральных веществ, наличие органических веществ, кислотность, газовый состав.

      К эдафическим факторам относятся механическая структура, минеральный состав, органический состав, кислотность, влажность, газовый состав, температура.

      К топографическим  факторам относятся высота над уровнем моря, экспозиция склона, крутизна склона, перепад высот.

      Пожары  бывают подземные, низовые и верховые.

      Во  всех случаях абиотические факторы действуют односторонне. Организм может к ним приспособиться, но не в состоянии оказать обратное влияние.

      Биотические факторы (пища, хищники, возбудители болезней, конкуренты) оказывают другое влияние, чем абиотические факторы, действуя на организмы других видов, они в то же время являются объектом воздействия с их стороны.  

6. Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических  факторов. Лимитирующий фактор. Фундаментальный закон «минимума».

      Живой организм в природных условиях одновременно подвергается воздействию со стороны не одного, а многих экологических факторов – как биотических, так и абиотических, но управляющую главную роль по отношению к живым организмам выполняют абиотические факторы. Причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах или дозах.

      Растения  нуждаются в значительных количествах  влаги, питательных веществ (азот, фосфор, калий), но требования к другим веществам, например бору или молибдену, определяются ничтожными количествами. Тем не менее недостаток или отсутствие любого вещества (как макро-, так и микроэлемента) отрицательно сказывается на состоянии организма, оно будет развиваться ненормально, замедленно или иметь патологические отклонения, даже если все остальные присутствуют в требуемых количествах.

      Фактор, который может замедлять потенциальный  рост, как отдельного организма, так  и экосистемы в целом, называется лимитирующим, или фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного организма, называется ограничивающим или лимитирующим.

      Один  из основоположников агрохимии –  немецкий ученый Юстус Либих сформулировал теорию минерального питания растений. Он установил, что развитие растения или его состояние зависят не от тех химических элементов (или веществ), то есть факторов, которые присутствуют в почве в достаточных количествах, а от тех, которых не хватает. Фундаментальный закон минимума Ю. Либиха: веществом, присутствующим в минимуме, управляется урожай, определяется его величина и стабильность во времени.

      Закон минимума Либиха  – один из основополагающих законов экологии, сформулирован лишь для химических питательных элементов. Однако для развития организмов важны и другие факторы. Объединенная концепция, рассматривающая влияние всех факторов, представляет собой общий принцип или закон лимитирующих факторов.

      В современной интерпретации закон  Ю. Либиха звучит так:

      Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности организмов лимитируют (ограничивают) те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибели организма или экосистемы.

      Разумеется, закон минимума справедлив не только для растений, но и для всех живых организмов, включая человека. 

7. Закон толерантности В. Шелфорда.

      Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел американский зоолог Виктор Шелфорд. Он показал, что вещество, или любой другой фактор, присутствующий не только в минимуме, но и в избытке по сравнению с требуемым организму уровнем, может приводить к нежелательным последствиям для организма.

      Проанализируем, что же происходит с организмом в  условиях динамики режима того или  иного экологического фактора. Если поместить какое-либо животное или растение в экспериментальную камеру и изменять в ней температуру воздуха, то состояние (все жизненные процессы) организма будет изменяться. При этом выявится некоторый наилучший (оптимальный) для организма уровень данного фактора (Т_опт), при котором его активность будет максимальной. 

Рис. Зависимость  результата действия экологического фактора  от его интенсивности 

      Диапазон  толерантности  к каждому фактору ограничен его min и max значениями, в пределах которых только и может существовать организм. Степень благополучия популяции или вида в зависимости от воздействующего на него фактора представляют в виде кривой толерантности, имеющей обычно колокообразную форму с максимумом, соответствующим оптимальному значению фактора.

      Но  если режимы фактора будут отклоняться от оптимума в ту или иную (большую или меньшую) сторону, то активность будет снижаться. При достижении некоторого максимального или минимального значения фактор станет несовместимым с жизненными процессами. В организме произойдут изменения, вызывающие его смерть. Эти уровни окажутся, таким образом, смертельными, или летальными (Т_лет и Т_лет.).

      Аналогичные результаты можно получить в экспериментах  с изменениями влажности, содержания различных солей в воде, кислотности, концентрации загрязняющих веществ и др. Чем шире амплитуда колебаний фактора, при которой организм может сохранять жизнеспособность, тем выше его устойчивость, т. е. толерантность к тому или иному фактору. Отсюда слово «толерантный» переводят как устойчивый, терпимый, а толерантность можно определить как способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

      Из  всего изложенного вытекает и  закон В. Шелфорда, или так называемый закон толерантности: любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.

      Зона  оптимума или зона нормальной жизнедеятельности  - это условия, при которых вид имеет наибольшую жизнеспособность.

      Зона  пессимума или  зона угнетения  – это зона, где организм чувствует себя угнетенно.

      Критические точки – это максимально и минимально переносимые значения фактора.

      Закон И.В. Шелфорда имеет второе название: закон лимитирующего фактора.

      Закон толерантности, или закон лимитирующего фактора гласит, что лимитирующим, ограничивающим процветание организма или вида, может быть фактор, находящийся не только в минимуме, но и в максимуме. Диапазон между этими факторами определяет величину выностивости (толерантности) организма или вида к данному фактору.

      Выявление ограничивающих факторов имеет огромное практическое значение. В первую очередь для выращивания сельскохозяйственных культур: внесение необходимых удобрений, известкование почв, мелиорация и т.д. позволяют повысить урожайность, повысить плодородие почв, улучшить существование культурных растений.  

8. Адаптация живых организмов к экологическим  факторам. Виды адаптации.

      Адаптация (от лат. адаптацио – приспособление) – это эволюционно возникшее приспособление организмов среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей.

      Особи, почему-либо утратившие способность  к адаптированию, в условиях изменений  режимов экологических факторов, обречены на элиминацию, т. е. на вымирание.

      Виды адаптации: морфологическая, физиологическая и поведенческая адаптации.

      Морфология  – это  учение о внешних формах организмов и их частей.

      1. Морфологическая адаптация – это адаптация, проявляющаяся в приспособлении к быстрому плаванию у водных животных, к выживанию в условиях высоких температур и дефицита влаги – у кактусов и иных суккулентов.

      2. Физиологические адаптации заключаются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Например, обитатели сухих пустынь способны обеспечивать потребность во влаге за счет биохимического окисления жиров.

      3. Поведенческие (этологические) адаптации проявляются в самых разнообразных формах. Например, существуют формы приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение оптимального теплообмена с окружающей средой. Приспособительное поведение может проявляться в создании убежищ, передвижениях в направлении более благоприятных, предпочитаемых температурных условий, выборе мест с оптимальной влажностью или освещенностью. Многим беспозвоночным свойственно избирательное отношение к свету, проявляющееся в приближениях или удалениях от источника (таксисах). Известны суточные и сезонные кочевки млекопитающих и птиц, включая миграции и перелеты, а также межконтинентальные перемещения рыб.

      Существуют два типа приспособления к внешним факторам. Пассивный путь адаптации – это адаптация по типу толерантности (терпимость, выносливость) заключается в возникновении определенной степени устойчивости к данному фактору, способности сохранять функции при изменении силы его воздействия.. Такой тип приспособления формируется как характерное видовое свойство и реализуется на клеточно-тканевом уровне. Второй тип приспособления – активный. В этом случае организм с помощью специфических адаптивных механизмов компенсирует изменения, вызванные воздействующим фактором, таким образом, что внутренняя среда остается относительно постоянной. Активные приспособления – это адаптация по резистентному типу (сопротивление) поддерживают гомеостаз внутренней среды организма. Пример толерантного типа приспособления – пойкилоосмотические животные, пример резистентного типа – гомойоосмотические. 

9. Экологическая ниша организма, понятия  и определения. Местообитание. Взаимное расположение экологических ниш. Экологическая ниша человека.

      Любой вид животного, растения, микроба  способен нормально обитать, питаться, размножаться только в том месте, где его «прописала» эволюция за многие тысячелетия, начиная с  его предков. Для обозначения этого феномена биологи заимствовали термин из архитектуры – слово «ниша» и стали говорить, что каждый вид живого организма занимает в природе свою, только ему присущую экологическую нишу.

      Экологическая ниша организма – это совокупность всех его требований к условиям среды (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются, или вся совокупность множества биологических характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными.

      Понятие экологическая ниша обычно применяется  при использовании взаимоотношений  экологически близких видов, относящихся  к одному трофическому уровню. Термин «экологичекая ниша» предложен Дж. Гриннеллом в 1917 году для характеристики пространственного распределения видов, то есть экологическая ниша определялась как понятие, бликое к местообитанию. Ч. Элтон определил экологическую нишу как положение вида в сообществе, подчеркнув особую важность трофических связей. Нишу можно представить как часть воображаемого многомерного пространства (гиперобъема), отдельные измерения которого соответствуют факторам, необходимым для вида. Чем больше варьирует параметр, т.е. приспособленность вида к определенному экологическому фактору, тем шире его ниша. Ниша может увеличиваться и в случае ослабленной конкуренции.

      Место обитания вида – это физическое пространство, занимаемое видом, организмом, сообществом, оно определяется совокупностью условий абиотической и биотической среды, обеспечивающих весь цикл развития особей одного вида.

      Место обитания вида можно обозначить как  «пространственная ниша».

      Образно говоря, если местообитание - это как бы адрес организмов данного вида, то трофическая ниша - это профессия, роль организма в месте его обитания.

      Сочетание этих и других параметров принято называть экологической нишей.

      Экологическая ниша (от франц. нише – углубление в стене) – это место, занимаемое биологическим видом в биосфере, включает не только его положение в пространстве, но и место в трофических и других взаимодействиях в сообществе, как бы «профессия» вида.

      Ниша  экологическая фундаментальная  (потенциальная) – это экологическая ниша, в которой вид может существовать при отсутствии конкуренции со стороны других видов.

      Ниша  экологическая реализованная (реальная) – экологическая ниша, часть фундаментальной (потенциальной) ниши, которую вид может отстоять в конкурентной борьбе с другими видами.

      По  взаимному расположению ниши двух видов  подразделяются на три типа: не соприкасающиеся экологические ниши; соприкасающиеся, но не перекрывающиеся ниши; соприкасающиеся и перекрывающиеся ниши.

      Человек – один из представителей царства  животных, биологический вид класса млекопитающих. Несмотря на то, что  ему присущи многие специфические  свойства (разум, членораздельная речь, трудовая деятельность, биосоциальность и др.), он не утратил своей биологической сущности и все законы экологии справедливы для него в той же мере, в какой и для других живых организмов. Человек имеет свою, только ему присущую, экологическую нишу. Пространство, в котором локализована ниша человека весьма ограничено. Как биологический вид, человек может обитать только в пределах суши экваториального пояса (тропики, субтропики), где и возникло семейство гоминид.  

10. Биоценоз, биогеоценоз, агроценоз.

      Биоценоз  (от греч. koinos – общий bios -жизнь) – это сообщество взаимодействующих живых организмов, состоящее из растений (фитоценоз), животных (зооценоз), микроорганизмов (микробоценоз), приспособленных к совместному обитанию на данной территории.

      Понятие «биоценоз» – условное, поскольку вне среды существования организмы жить не могут, но ним удобно пользоваться в процессе изучения экологических связей между организмами. В зависимости от местности, отношение к человеческой деятельности, степени насыщения, полноценности и т.п. различают биоценозы суши, воды, естественные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные.

      Биоценозы, как и популяции - это надорганизменный уровень организации жизни, но более высокого ранга.

      Размеры биоценотических  группировок различны - это и большие сообщества подушек лишайников на стволах деревьев или гниющий пень, но это и население степей, лесов, пустынь и т.д.

      Сообщество  организмов называют биоценозом, а науку, изучающую сообщество организмов - биоценологией.

      В.Н. Сукачевым для обозначения сообществ был предложен (и общепринят) термин биогеоценоз (от греч. биос – жизнь, гео – Земля, ценоз – сообщество) - это совокупность организмов и природных явлений, характерных для данной географической местности..

      Структура биогеоценоза включает две компоненты биотическую – сообщество живых растительных и животных организмов (биоценоз) – и абиотическую - совокупность неживых факторов среды (экотоп, или биотоп).

      Пространство  с более или менее однородными условиями, которое занимает биоценоз, носит название биотопа (topis – место) или экотопа.

      Экотоп включает две главные составляющие: климатоп  - климат во всех его многообразных проявления и эдафотоп (от греч. эдафос – почва) - почво-грунты, рельеф, воды.

      Биогеоценоз = биоценоз (фитоценоз+зооценоз+микробоценоз)+биотоп (климатоп+ эдафотоп).

      Биогеоценозы  – это природные образования (в них присутствует элемент «гео» – Земля).

      Примерами биогеоценозов могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес. На уровне биогеоценоза происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере.

      Агроценоз (от лат. аграрис и греч койкос - общий) – созданное человеком и им же искусственно поддерживаемое сообщество организмов с повышенной урожайностью (продуктивностью) одного или нескольких избранных видов растений или животных.

      Агроценоз отличается от биогеоценоза основными компонентами. Он не может существовать без поддержки человека, так как это искусственно созданное биотическое сообщество. 

11. Понятие «экосистема». Три принципа функционирования экосистем.

      Экологическая система - одно из важнейших понятий экологии, сокращенно – экосистема.

      Экосистема  (от греч. ойкос – жилище и система) – это любое сообщество живых существ вместе со средой их обитания, связанное внутри сложной системой взаимоотношений.