Экология природы

Введение.    

1.1.Современная экология.

Условия жизни человека создавались на протяжении  миллиардов лет живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности - природной средой.  Существование человека в этой среде  возможно только при обязательном условии сохранения всего разнообразия живого вещества, процессов его саморазвития и саморегулирования. Человек очень мало знает о механизмах этих процессов и поэтому их изучение является важнейшей задачей современной экологии и экологического образования.

Современная экология – это наука о жизни и сохранении живого вещества планеты, выживании человечества в уже достаточно нарушенной природной среде. Главными  объектами изучения этой науки являются: живые организмы и  их среда обитания - природная среда, человек как вид и социум, взаимодействие природной среды с человеком в созданных им средах: природохозяйственной, хозяйственной и социально- экономической. .

Природная среда – среда со всеми живыми организмами и факторами их жизни, не затронутая деятельностью человека. Её  важнейшим и отличительным свойством  является  способность самоподдержания и саморегуляции (если в этой среде живет человек, то плотность его населения-менее 10 чел. на 1 км ).

Природохозяйственная среда – природная среда, вовлеченная в экономическую деятельность человека с целью использования её ресурсов для получения необходимых товаров и услуг, например, искусственно созданные растительные сообщества, посадки сельскохозяйственных культур, обладающих большой продуктивностью, но малой способностью саморазвития и самоподдержания( малой экологической надежностью).

В этой среде человеком нарушены природные свойства, а для её функционирования затрачиваются определенные усилия. Она характеризуется наличием сменяемых или постоянных сельскохозяйственных земель, вторичной  растительностью (т.е. растительностью возникшей на месте ранее существующей первичной), плотностью домашнего скота, превышающей возможность пастбищ, негативными последствиями деятельности человека, например, вырубкой леса и т.п.

Хозяйственная среда – среда состоящая в основном из искусственно созданных антропогенных структур и некоторых природных элементов: атмосферного воздуха, естественного освещения, климата, водоемов, растительности и т.п.  Характеризуется наличием постоянных сельскохозяйственных территорий и городских поселений, отсутствием естественной растительности, проявлением опустынивания и другими видами постоянной деградации природных систем. Создана для обеспечения требуемых социально-экономических условий жизнедеятельности человека.

Социально-экономическая среда – созданная человеком среда для удовлетворения своих безграничных потребностей. Это отношения между их людьми и их группами, а также между создаваемыми ими материальными и духовными ценностями.

Функционирование этой среды вызывает подавляющее число экологических проблем и именно эта среда ответственна за их решение.

Основные составляющие современной экологии:

- экология общая - изучает  общие закономерности взаимоотношения организмов и их сообществ между собой и  средой своего обитания, т.е. природную среду. Эта экология биологическая – биоэкология, или экология классическая. Ее разделами являются - экология элементарных единиц жизни - вида, особи (аутэкология), экология совокупности особей одного вида - (популяционная экология), экология сообществ и учение об экосистемах - (синэкология), учение о биосфере - (глобальная экология).

- экология социальная – изучает взаимоотношения в системе «общество(социальная среда) - природа»,  отличие жизнедеятельности человека в биосфере от жизни других живых существ, пути социально-экономического развития в биосфере.

- экология прикладная изучает и устанавливает допустимые нормы нагрузки антропогенной деятельности на экосистемы в природохозяйственной и хозяйственной средах, нормы использования природных ресурсов, разрабатывает инженерные, социально-экономические, юридические и т.п.  методы сосуществования человеческого общества в экосистемах.

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ.

1. Как создавалась среда жизни человека?     
2. Каковы важнейшие задачи современной экологии и экологического образования?
3. Объясните понятие «природная среда».
4. Объясните понятие «природохозяйственная среда»,
5. Объясните понятие «хозяйственная среда».
6. Объясните понятие «социально – экономическая среда»,
7. Что изучает современная экология? Какие основные разделы она объединяет?
8. Что изучает общая экология? 
9. Что изучает  экология социальная?
10. Что изучает прикладная экология?

1.2.Основные  понятия общей экологии

Главным понятием в экологии является понятие «экосистема» - характеризующееся как сообщество живых организмов и среды их обитания, которое существует и функционирует как единое целое.    

Основные признаки экосистемы: круговороты веществ и потоков энергии, способность противостоять (в определенных пределах) внешним воздействиям, саморазвиваться и саморегулироваться.

Различают микроэкосистемы (напр., ствол гниющего дерева, небольшой пруд и т.п.), мезоэкосистемы (лес, озеро, река и т.п.), макроэкосистемы (океан, континент и др.) и глобальную экосистему в границах всей планеты (биосферы). Более крупные экосистемы включают в себя системы меньшего ранга. Биогеоценоз является самой элементарной частью экосистемы,  свойства которого определяет сообщество взаимосвязанных живых организмов - биоценоз, на относительно однородном пространстве- биотопе или экотопе. Каждый биоценоз состоит из множества видов живых организмов, но виды входят в него не отдельными особями, а популяциями или их частями.

Популяция – часть особей одного вида, населяющая определенное пространство в течение большого числа поколений и обладающая определенной степенью изоляции.

Можно сказать, что биогеоценоз – это взаимосвязанные между собой и с условиями среды популяции различных видов.

В экологии часто используется термин «сообщество». Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (синоним биоценоза), или аналогичная совокупность только растительных - (фитоценоз или растительное сообщество), только  животных  организмов - (зооценоз),только  микробного населения - (микробиоценоз).

Практически все природные системы обмениваются друг с другом веществом, информацией и энергией, т.е. они относятся к типу открытых систем, однако есть еще изолированные, у которых нет никакого обмена, и закрытые – они обмениваются с соседними только энергией.

Эмерджентность - универсальное качество экосистем – (эмедж – англ. возникновение нового) которое заключается в том, что свойства системы, как целого, не являются  суммой свойств, слагающих ее частей. Элементарные части экосистем (биогеоценозы) объединяясь, резко увеличивают свои свойства и создают более организованную (по энергетике, информации, продуктивности и устойчивости) систему. Например, одно дерево, как и редкий древостой, не обладают свойствами леса, т.к. они не создают определенный набор качества природной лесной среды.    

Солнечная энергия является основой всех жизненных, энергетических процессов в биосфере. Общая энергетика этих процессов подчиняются первому и второму правилу термодинамики. 

  Первое правило-энергия не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

Второе правило - часть энергии  любого превращения живого вещества рассеивается или теряется в виде тепла.

  Энтропия определяет величину  потери энергии. Полной потерей энергии характеризуется мертвый организм. Его температура понижается до температуры окружающей среды, а составляющие его химические элементы и соединения становятся частью среды и включаются в круговорот. Можно сказать, что  организм не может извлекать энергию из окружающей среды, в нем отсутствует какое-либо взаимодейтвие между  элементами и, он, как система, приходит в состояние полной неупорядоченности или к своей максимальной энтропии.

Живой организм или нормально функционирующая экосистема характеризуется  высокой степенью упорядоченности своих элементов. Они способны получать энергию из окружающей среды. Их взаимодействие сохраняет и поддерживает необходимый  для жизни уровень энергии и противостоит энтропии.

Негоэнтропия – показатель противоположный энтропии. Чем лучше взаимодействие элементов  системы, чем лучше они используют энергию внешней среды, тем выше значение ее негоэнтропии. Опасно любое вмешательство в систему если оно ведет к снижению ее негоэнтропии, а, следовательно, к снижению  устойчивости и способности противостоять внешним воздействиям.

  Человек  разрушает элементы природных систем, их внутренние и внешние связи и, следовательно, уменьшает или ликвидирует их способности к  жизни, развитию и саморегуляции.

Необходимые законы   деятельности человека в биосфере сформулированы Б.Коммонером (четыре закона).     

Первый закон отражает, по сути, всеобщую связь процессов и явлений в природе и звучит так: «Всё связанно со всем».  

Второй закон базируется на положении сохранения вещества и энергии: «Всё должно куда-то деваться».  

Третий закон ориентирует на действия, которые должны быть согласующимися природными процессами: «Природа знает лучше». Он говорит о том, что  мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы и легко нарушаем природные системы (например, математический расчет простейшего параметра биосферы потребует намного больше времени, чем время существования нашей планеты).

Сущность четвертого закона заключается в ориентации человека на то, что любое его действие в природе не остается бесследным и уничтожение природных систем приведет в дальнейшем к значительным экономическим затратам. Закон звучит так: «Ничего не дается даром».

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ  ЗНАНИЙ.

1. Объясните  понятие «экосистема», ее основные признаки?
2. К какому виду систем относится  экосистема и почему?
3. Объясните определение понятий «популяция»,  «биоценоз», «биогеоценоз», «сообщество»?
4. Что такое «эмерджентность»?
5. Объясните определение понятий «энтропия» и «негоэнтропия». Как на них влияет деятельность человека?
6. Какие свойства и явления природы отражают первый и второй законы Б.Коммонера?
7. На какие действия ориентируют деятельность человека третий и четвертый законы Б.Коммонера?    

1.3. Среда обитания живых организмов, её факторы, среды жизни

Под средой обитания обычно понимают природные и, в некоторых случаях, антропогенные тела и явления, с которыми организм (организмы) находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Наряду с термином «среда обитания» используется также понятие «местообитание» - та среда жизни организма или вида, в которой осуществляется весь цикл его развития.

Под экологическими факторами понимают любой элемент или условие среды, с которыми связано приспособление организмов к её условиям,  или адаптация организмов. Возможное резкое изменение экологических факторов может вызвать гибель организма.

Экологические факторы можно разделить на три основные группы:

1. Факторы неживой природы – абиотические (климатические, атмосферные, почвенные, гидрологические и др.).
2. Факторы живой природы – биотические (влияние одних организмов на другие).
3. Факторы человеческой деятельности – антропогенные.

Наибольшую трудность при адаптации живых организмов представляют факторы или их уровни, с которыми вид не встречался в процессе своей эволюции, это, в основном, группа антропогенных факторов.   

В комплексе действия факторов можно выделить некоторые закономерности, которые являются универсальными (общими) по отношению их действий на живые организмы. Их характеризуют правило оптимума, правило взаимодействия факторов, правило лимитирующих факторов.

Правило оптимума. В соответствии с этим правилом для экосистемы или организма имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами этой зоны лежат зоны угнетения, в  которых существование живых организмов невозможно.

Диапазон значений факторов между зонами угнетения называют экологической валентностью. Синонимами термина валентность является термин толерантность т.е. способность организмов выносить отклонения факторов среды от оптимального для них, и пластичность, степень  выносливости организма к воздействиям факторов среды.

Правило взаимодействия факторов: одни экологические факторы могут, в какой-то степени усиливать или уменьшать силу действия других факторов, например, избыток тепла в атмосфере может в какой-то мере может смягчаться пониженной влажностью воздуха, недостаток света для фотосинтеза растений – компенсироваться повышением  углекислого газа и т.п. Из этого, однако, не следует, что факторы могут взаимозаменяться. Они не взаимозаменяемы.

Правило лимитирующих факторов: фактор, имеющийся в недостатке или избытке на границах зон угнетения отрицательно влияет на организмы, и, кроме того, ограничивает возможность проявления силы действия других факторов. Например, если в почве имеются в достатке все необходимые для растения химические элементы, кроме одного, то затруднение в развитии растения будет обусловливаться отсутствием именно этого элемента, а все другие  не проявят своего действия. Лимитирующие факторы обычно определяют границы распространения видов (популяций), их ареалы. От них зависит продуктивность организмов и сообществ.

Всё разнообразие условий жизни живых организмов на Земле объединяют в четыре среды жизни: водную, приземно-воздушную, почвенную и организменную.

Среды жизни выделяются обычно по фактору или комплексу факторов, которых никогда не бывают в недостатке. Эти факторы являются средообразующими и обусловливают свойства сред.

Водная среда наиболее однородная среди других. Она мало изменяется в пространстве, здесь нет четких границ между отдельными экосистемами. Амплитуды изменения значений факторов невелики. Лимитирующим фактором в этой среде часто бывает кислород. Содержание его обычно не превышает 1% от объема.

Приземно-воздушная среда относится к наиболее сложной, как по свойствам, так и по разнообразию в пространстве. Для неё характерны низкая плотность воздуха, большие колебания температуры (годовые амплитуды до 100 оС), высокая подвижность атмосферы. Лимитирующими факторами чаще всего являются недостаток или избыток тепла и влаги, недостаток света, загрязнения.

Почвенная среда имеет свойства, сближающие её с водной и наземно-воздушной средами. К специфическим свойствам, присущим только почве, относится плотное сложение. В почвах обычно выделяют три фазы (части): твердую, жидкую и газообразную. Почва – наиболее насыщенная живыми организмами часть биосферы (почвенная пленка жизни). Поэтому в ней иногда выделяют четвертую фазу – живую. В качестве лимитирующих факторов в почве чаще всего выступают недостаток тепла, а также недостаток или избыток влаги.

С организмами как средой обитания связан паразитический или полупаразитический образ жизни. Организмы этих групп получают кондиционированную среду (по температуре, влажности и другим параметрам), и готовую, легкоусвояемую пищу. Результатом этого является упрощение всех их систем и органов, или даже потеря некоторых из них. Лимитирующее звено в жизни паразитов – возможность потери хозяина. По этой причине паразиты, как правило, не убивают своего хозяина и имеют приспособления, увеличивающие вероятность выживания в случае его потери. Основной путь сохранения вида (популяции) в таких условиях – большое число зачатков в виде долго сохраняющихся цист, спор и т.п. Это повышает вероятность встречи с хозяином. Часто используются промежуточные хозяева.

Водная, приземновоздушная и почвенные среды жизни обладают природной способностью самоочищения, они могут не разрушаясь перерабатывать не свойственные им природные и некоторые антропогенные соединения.

Самоочистительная способность водной и почвенной сред жизни связана с деятельностью живых организмов. Они перерабатывают загрязняющие вещества до элементов и простых соединений и некоторые из них  преобразуются в живую органическую массу. Самоочистительная способность приземновоздушной среды, в основном, так же связана с деятельностью живых организмов водной и почвенной сред т.к. ее загрязнители под влиянием силы тяжести и вымывания атмосферными осадками попадают в водную и почвенные среды. Очевидно, что в средах жизни  имеющих большее количество живых организмов процессы самоочищения идут быстрее.

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

1. Объяснимте понятие  «среда обитания»?
2. Объясните понятие «экологические факторы»? На какие основные группы их можно разделить?
3. Какие факторы среды обитания  представляют наибольшую трудность для адаптации живых организмов?
4. Объясните «правило оптимума».
5. Дайте определение понятий «экологическая валентность», «толерантность», «пластичность»
6. Объясните «правило взаимодействия факторов» и «правило лимитирующих факторов».
7. Какие среды жизни объединяют все  разнообразие жизни на земле? Как их выделяют?
8. Какие типичные свойства наблюдаются у водной среды, какие ее лимитирующие  факторы?
9. Какие типичные свойства наблюдаются у наземно - воздушной среды, какие  ее лимитирующие факторы?
10. Какие типичные свойства наблюдаются у почвенной среды, какие ее лимитирующие факторы?
11. Объясните понятие организменная среда. Какой лимитирующий фактор жизни паразитов?
12. Объясните процесс самоочищения водной, приземновоздушной и почвенной сред жизни.

      2.ЖИЗНЬ В БИОСФЕРЕ.

2.1.Биосфера и ее жизненно  важные процессы

2.2.Основные законы и  правила жизни биосферы

2.1. Биосфера и ее жизненно важные процессы

В абиотическом периоде на поверхность Земли  под воздействием геофизических и космических процессов выходили вулканические породы, происходило их выветривание, перемещение, физико-химические и геологические преобразования  - геохимический круговорот веществ. Предполагается, что в результате химических реакций между неорганическими веществами возникли сложные органические соединения – предшественники живых организмов, а затем образовались и прошли длительную (4 млрд. лет) эволюцию живые организмы.

Термин биосфера введен в 1875г. австрийским ученым Э.Зюссом. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы где встречаются  живые организмы. Академик В.И.Вернадский установил определяющую роль живых организмов в механизмах преобразования  геологических структур,  создании лито-, гидро, и  атмосферных оболочек земли и включил в понятие биосферы результаты их   деятельности. «По  Вернадскому», под биосферой понимается все пространство атмосферы, литосферы и гидросферы где существует и существовала жизнь т.е., где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.

Биосфера представляет собой открытую, саморегулирующую систему, обладающую большим разнообразием живого вещества.  Как в открытую систему в нее поступает солнечная энергия, а регулирующую функцию выполняют живые организмы, причем, их природное (выработанное за многие миллиарды лет) разнообразие является основным условием устойчивости биосферы. 

Живые организмы биосферы способны получать, передавать и запасать энергию по цепям питания; перерабатывать с большой скоростью органические и неорганические вещества и преобразовывать физико-химические параметры своей среды.  Они накапливают определенную информацию, закрепляют и передают ее в наследственных структурах  последующим поколениям.

Совокупность живых организмов можно представить как живое вещество биосферы. Особенности жизни живых организмов определяют высокую скорость обновления живого вещества. Сумма ее массы за всю историю своего существования в 12  раз превысила массу земли.

В биосфере находятся вещества в процессах образовании которых живые организмы не принимали участия  т.е. вещества   неживой природы – костные вещества, например, минералы и биокосные вещества, в образовании которых принимали участие живые и косные, например, почвы.

Место живого организма в биосфере и все его личные, характерные особенности жизни, например, отношение к факторам среды, питанию, размножению, взаимоотношение с другими организмами и т.п., называют экологической нишей. Живые организмы биоценоза осуществляют непрерывное, как бы замкнутое обращение вещества, энергии и информации. Этот процесс называется малым биотическим кругом обмена или малым биологическим. В его пределах потеря массы вещества минимальна (1-2%), повторное же использование энергии едва достигает 0,24% и говорить о круговороте энергии не корректно. Информация передается полностью (генами), но часть ее может теряется при гибели видов или нарушении генетического кода.

Осуществление этого круговорота происходит в замкнутой цепи питания  биоценоза, в пищевой цепи, в трофической цепи- в ряду видов или их групп, каждое предыдущее звено которого служит пищей для следующего.

Первое звено этой цепи-продуценты (автотрофы) - растения и водоросли, которые в процессе фотосинтеза, с помощью солнечной энергии, перерабатывают неорганические вещества из почвы, воды и атмосферы в растительную органическую массу, выделяя при этом кислород . На процесс фотосинтеза в клетках растений идет не более 1% солнечной энергии достигающей поверхности земли. Вся органическая масса продуцентов с её энергией и выделяемые биогенные летучие вещества характеризуются как первичная продуктивность. Первые растительные организмы,  выделяя кислород, способствовали созданию в атмосфере слоя с повышенным содержанием трехатомного кислорода – озона. Этот слой в дальнейшем способствовал образованию более сложных живых организмов, т.к. стал предохранять их от гибельного ультрафиолетового солнечного излучения. Жизнеопределяющее свойство продуцентов проявляется и в его способности поглощать из атмосферного воздуха двуокись углерода выделяемую другими организмами в процессе своей жизнедеятельности.

Второе звено – консументы первого порядка- животные организмы усваивают растительную органическую массу  и получают из нее и  кислорода  атмосферы энергию для своей жизни. Часть энергии накапливается в виде массы консументов, другая – расходуется на движение, дыхание, поддержание температуры тела и т.п., т.е. на жизнедеятельность этих организмов. Органическая масса консументов первого порядка потребляется, в свою очередь, другими животными организмами – консументами второго порядка (третьего и четвертого) для обеспечения своей жизнедеятельности.  Количество биомассы, энергии и биогенных летучих соединений производимых всеми консументами характеризуются как вторичная продукция живого вещества.

Продуктивность зависит, главным образом, от разнородности и продолжительности жизни живых организмов и от факторов среды жизни.

Органические остатки жизни и смерти продуцентов и консументов потребляются  представителями третьего звена пищевой цепи - редуцентами - в основном, бактериями и грибами и перерабатывается в неорганические вещества, главным образом в двуокись углерода, воду, и растворимые соли. Продукты жизнедеятельности редуцентов поступают как пища на первое звено пищевой цепи, к продуцентам.

Считается, что с одного трофического уровня на другой передается только 10% полученной энергии, т.к.  90% энергии расходуется на процессы жизнеобеспечения, поэтому нельзя говорить о полном круговороте энергии.

Малые круговороты биотического обмена объединяются в большой биологический и, с геохимическим круговоротом,  создают большой биогеохимический круговорот, который, в свою очередь, является частью геологического круговорота земли.

Используя солнечное излучение, как постоянный источник энергии, живые организмы за 4 млрд. лет  организовали преобразование окружающей среды. Они создали замкнутые круговороты веществ масса потоков которых на много порядков превысила потоки разрушения биосферы, связанные с  процессами  в недрах земли и космического пространства.

Взаимодействие естественных биогеоценозов осуществляется так, что оно создает условия необходимые для жизни всех видов входящих в их сообщество. Продукты жизнедеятельности одних видов потребляются другими видами. За многие годы сложились все необходимые жизненные процессы каждого вида и их выполнение строго связано с развитием и сохранением окружающей среды. Этот механизм заложен в генетическую информацию вида. Совокупность всех сообществ биосферы создало и поддерживает природную среду в глобальном масштабе – этот процесс называют биотической регуляцией природной среды.

Только те виды, которые обеспечивают необходимую работу по поддержанию окружающей среды, могут образовывать сообщества и составлять земную биоту. Такие виды поддерживают оптимальную численность, и производят оптимальное, а не максимальное количество потомков. Это предотвращает популяционные взрывы, разрушающие сообщества. Спонтанный переход любого вида к производству максимального количества потомков свидетельствует об искаженной генетической программе. 

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНРОЛЯ ЗНАНИЙ

1. Чем отличаются определения биосферы  у Э.Зюсса и В.И.Вернадского?
2. Какую систему представляет собой биосфера?
3. Какими основными способностями  обладают живые организмы? 
4. Что можно сказать о процессе обновления живого вещества?
5. Какие основные вещества можно выделить в биосфере?
6. Как осуществляется малый биотический круг обмена?
7. Охарактеризуйте  совокупность земных круговоротов вещества, энергии и информации.
8. Что называют «биотической регуляцией природной среды»? 

2.2.Основные  законы и правила жизни биосферы

Основы существования биосферы можно выразить известными в настоящее время законами и правилами экологии, они свидетельствуют, что:

• все живое вещество земли физико-химически однородно(1*)  и все виды живого в экосистемах и их биотические компоненты  согласованы друг с другом(2*);
• в экосистеме не существуют полезные или вредные виды организмов, они все служат друг другу(3*) и их деятельность  направлена на совместное самосохранение и саморегуляцию(4*);
• взаимодействие подсистем природной системы поддерживает и сохраняет все вещественно энергетические функции системы(5*);
• любая природная система может развиваться только за счет использования  материально-энергетических  и информационных возможностей окружающей среды(6*);
• вещество, энергия и информация отдельных природных систем взаимосвязаны и любое их изменение влечет изменения во всей системе, если  эти изменения не критические, то система старается восстановить и сохранить свою энергетическую и информационную емкость(7*);
• наибольшей способностью к сохранению обладают системы с наилучшей возможностью получения и использования энергии и информации(8*);
• количество живого вещества биосферы есть величина постоянная, любое его изменение  в одной из систем биосферы приводит к увеличению его в другой, причем, обычно, высокоразвитые виды и экосистемы замещаются видами и экосистемами более низкого эволюционного уровня(9*);
• индивидуальная экосистема попадающая в среду с более низким уровнем организации уничтожается(10*);
• возможность существования живого организма определяется комплексом необходимых  для него жизненных факторов и снижение  ниже допустимого уровня (т.е. ликвидация) хотя бы одного из них ведет к гибели организма и изменению соответствующей экосистемы(11*)
• для развития живого вида и соответствующей экосистемы важно наличие не только лимитирующего жизненного фактора, а всей совокупности необходимых(12*);
• вид живого организма может существовать если окружающая  среда соответствует его природным (генетическим) возможностям приспособления(13*).