Основные категории и закономерности экологии

                     Федеральное агенство по образованию

     Тамбовский государственный университет  им. Г.Р.Державина

                                 Институт сервиса и рекламы 
 

                                       Реферат по предмету

                                                   БЖД

                                                 на тему:

                 «Основные  категории и закономерности  экологии» 

                                                             Выполнила студентка 3 курса (31 группы)

                                                                                                    заочного отделения

                                                                                                           Чумакова К. В.

                                                         Проверил: к. геог. н. старший преподаватель

                                                                                                         Буковский М. Е. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                             Тамбов 2011

      СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

1. Предмет  экологии: общие принципы и подходы  к ее изучению.

2. Содержание, предмет и задачи экологии.

3. Структура  современной экологии.

4. Методы  экологических исследований. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Первые  экологические исследования стоит  отнести к работам Гиппократа и Аристотеля. Сам термин «экология» был предложен в 1866 г. Геккелем. Термин «экология» происходит от греческих корней «ойкос» – «обиталище» и «логос» – «наука». Современное определение экологии звучит следующим образом: «Экология, раздел биологии, занимающийся изучением всего комплекса взаимоотношений отдельных организмов или их сообществ с окружающим миром, т.е. средой обитания, рассматривает всю совокупность двусторонних связей организм-среда, популяция-среда или сообщество-среда». Взаимоотношения эти могут быть самыми различными, однако специфика «экологического» подхода заключается в том, что изучаются главным образом те их стороны, которые обеспечивают саму возможность существования – выживание, развитие и размножение.

     Вторая  половина XX и начало ХХI вв. ознаменовались чрезвычайно широким использованием, как самого термина «экология», так  и целой системы понятий, связанных  с ним. Связано это с назревшим экологическим кризисом, что делает актуальным все, связанное с экологией и взаимоотношениями человека и природы.

     К экологии иногда неверно относят  ряд дисциплин. Так, природопользование и охрана природы не являются разделами  экологии. Другое дело, что в последнее  время стало ясно, что нельзя организовывать природопользование и охрану природу, не применяя экологических методов  и не используя экологическое  знание. Только знание о взаимосвязи  природных объектов, об устойчивости природных систем может определить возможные механизмы взаимодействия с ними. Этим и объясняется справедливый всеобщий интерес к экологии как  науке о взаимосвязях живых организмов и окружающей их среды.

1. Предмет экологии: общие принципы и подходы к ее изучению.

     Предметом изучения экологии являются объекты  организменного (уровня особей), популяционно-видового, биоценотического и биосферного  уровней организации. В связи  с этим различают:

• аутэкологию – изучает взаимоотношения отдельной особи (представителей вида) с окружающей ее (их) средой, определяет пределы устойчивости и предпочтения вида по отношению к различным экологическим факторам;
• демэкологию – изучает взаимоотношения популяций с окружающей их средой, изучает демографию и ряд других характеристик популяций в свете их отношений с окружающей средой;
• синэкологию – исследует биотические сообщества и их взаимоотношения со средой: формирование сообществ, их энергетику, структуру, развитие и т.д.

     Кроме того, применение основных экологических  принципов и воззрений к конкретным группам организмов послужило основой  для выделения более узких  направлений экологических исследований: экология растений, экология микроорганизмов, экология животных, экология вирусов, экология грибов.

     Главные задачи экологии вытекают из рассмотрения объектов исследования экологии и включают:

• анализ физических, химических и биологических параметров функционирования природных систем;
• установление закономерностей организации жизни в связи с увеличивающимся антропогенным воздействием на природную среду;
• исследование вопросов природопользования и ресурсосбережения;
• разработку мероприятий по всесторонней защите окружающей природной среды.

     Экология  изучает фундаментальные свойства жизни, однако часто весьма плодотворным оказывается ограничение исследований какой-то одной систематической  группой, поскольку различные группы организмов требуют разных методов  изучения, и поскольку некоторые  группы организмов в экономическом  или другом отношении намного  важнее или интереснее для человека, чем другие. Один из главных принципов изучения экологии – системный подход, ибо организмы (или сообщества организмов) образуют со средой обитания единство, в пределах которого осуществляется преобразование (трансформация) вещества и энергии. Одно из ключевых понятий системного подхода – уровень организации, под которым понимают функциональное место биологической структуры определенной сложности в общей системе живой природы. Исходя из концепции уровней организации, которые составляют своего рода «биологический спектр», лучше всего можно определить содержание современной экологии. Под системой понимается совокупность элементов, находящихся в тесных отношениях друг с другом и формирующих целостное образование. Системы, содержащие живые компоненты (биологические системы, или биосистемы), можно выделять на любом из уровней или на любом промежуточном уровне, удобном или полезном для исследования. Например, можно рассматривать не только системы генов, органов и т.д., но также системы паразит-хозяин, что соответствует промежуточному уровню между популяцией и сообществом. Отдельные элементы, из которых состоит система, вместе с тем, не определяют самой ее структуры, хотя и образуют её. Структура же определяется способом взаимодействия элементов. Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген – главные уровни организации жизни, они расположены в иерархическом порядке от крупных систем к малым. Взаимодействие с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обусловливает существование определенных функциональных систем. Экология изучает преимущественно системы выше уровня организмов. В системе или «биологическом спектре» нет четких границ или разрывов даже между уровнями организма и популяции. Поскольку мы привыкли, имея дело с людьми и высшими животными, представлять особь как конечную единицу, идея непрерывного спектра уровней может на первый взгляд показаться странной. Однако если принять во внимание такие факторы, как взаимозависимость, взаимосвязь и выживание, то и в самом деле здесь нигде не должно быть резких разрывов. Отдельный организм, например, не более способен к длительному существованию вне своей популяции, чем отдельный орган (в качестве самоподдерживающейся системы) вне своего организма. Подобно этому, сообщество не может существовать без круговорота веществ и потока энергии в экосистеме. В основе принципа функциональной интеграции лежит то, что ни один из уровней нельзя считать более или менее важным или более или менее заслуживающим изучения, чем какой-либо другой уровень. Если признаки, становятся более сложными и более изменчивыми, то другие свойства при переходе от малых систем к большим становятся менее сложными и менее изменчивыми. Поскольку гомеостатические механизмы действуют на протяжении всего ряда, функционирование более мелких единиц внутри более крупных характеризуется определенной степенью интеграции. Принцип функциональной интеграции, согласно которому при усложнении структуры возникают дополнительные свойства, позволяет применить данные, полученные при изучении какого-либо уровня, для изучения другого уровня. Однако с помощью этих данных никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом другом уровне, каждый уровень имеет особенности, которые лишь частично можно объяснить, исходя из особенностей нижележащего уровня. Иными словами, не все свойства более высокого уровня можно предсказать, зная только характеристики, относящиеся к более низкому уровню. Это важное обобщение называется «теорией уровней интеграции». Исходя из вышесказанного отметим, что фундамент системного подхода и функциональной интеграции строится на следующих положениях:

• несводимость свойств отдельных составляющих к свойствам целой системы (свойство целостности);
• принципиальная возможность описывать систему, исходя из знания характера взаимоотношений ее элементов;
• каждый отдельный элемент можно охарактеризовать двояко: с одной стороны, его можно представить как отдельную систему, а с другой – как составляющий элемент другой целостности (системы), но более высокого уровня организации, т.е. как подсистему (свойство иерархичности соподчинения элементов);
• не существует абсолютно изолированных систем, каждая вступает в определенные взаимоотношения с окружающей средой (свойство открытости), часто, однако, в целях построения моделей, многие системы рассматривают как изолированные.

2. Содержание, предмет и задачи экологии. 

     Термин  «экология» (от греч. oikos – жилище, место  обитания и logos – наука) предложил  Э. Геккель в 1866 г. для обозначения  биологической науки, изучающей  взаимоотношения животных с органической и неорганической средами. С того времени представление о содержании экологии претерпело ряд уточнений, конкретизаций. Однако до сих по нет  достаточно чёткого и строгого определения  экологии, и все ещё идут споры  о том, что такое экология, следует  ли её рассматривать как единую науку  или же экология растений и экология животных – самостоятельные дисциплины. Не решён вопрос, относится ли биоценология к экологии или это обособленная область науки. Не случайно почти  одновременно появляются руководства  по экологии, написанные с принципиально  разных позиций. В одних экология трактуется как современная естественная история, в других – какучение  о структуре природы, в котором  конкретные виды рассматриваются лишь как средства трансформации вещества и энергии в биосистемах, в  третьих – как учение о популяции  и т.д.

     Нет необходимости останавливаться  на всех существующих точках зрения относительно предмета и содержания экологии. Важно  лишь отметить, что на современном  этапе развития экологических представлений  все более чётко вырисовывается её суть.

     Экология  – это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в  любых её проявлениях, на всех уровнях  интеграции) в их естественной среде  обитания с учётом изменений, вносимых в среду деятельностью человека.

     Из  этой формулировки можно сделать  вывод, что все исследования, изучающие  жизнь животных и растений в естественных условиях, открывающие законы, по которым  организмы объединяются в биологические  системы, и устанавливающие роль отдельных видов в жизни биосферы, относятся к экологическим.

     Однако  приведенное определение слишком  пространно и недостаточно конкретно, хотя на первых этапах развития экологии один из вариантов его (экология –  это наука об отношениях организмов друг с другом и со средой, наука  о приспособлениях и т.п.) не только был принципиально верным, но и  мог служить ориентиром при постановке ряда исследований.

     В последнее время экологи пришли к принципиально важному обобщению, показав, что условия среды осваиваются  организмами на популяционно-биоценотическом  уровне, а не отдельными особями  вида. Это привело к интенсивному развитию учения о биологических  макросистемах (популяциях, биоценозах, биогеоценозах), что оказало громадное  влияние на развитие биологии в целом  и всех её разделах в частности. В  результате стали появляться всё  новые и новые определения  экологии. Её рассматривали как науку  о популяциях, о структуре природы, о динамике численности и т.д. Но все они, несмотря на некоторую  специфичность, определяют экологию как  науку, исследующую законы жизни  животных, растений и микроорганизмов  в естественной среде обитания с  учётом роли антропических факторов.

     Основные  формы существования видов животных, растений и микроорганизмов в  естественной среде обитания – это  внутривидовые группировки (популяции) или многовидовые сообщества (биоценозы). Поэтому современная экология изучает  взаимоотношения организмов и среды  на популяционно-биоценотическом уровне. Конечной целью экологическихисследований  является выяснение путей, с помощью  которых вид сохраняется в  постоянно меняющихся условиях среды. Процветание вида заключается в  поддержании оптимальной численности  его популяций в биогеоценозе.

     Следовательно, основным содержанием современной  экологии становится исследование взаимоотношений  организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических  макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики.  

     Отсюда  очевидно, что предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы) и  их динамика во времени и пространстве.

     Из  содержания и предмета исследований экологии вытекают и её основные задачи, которые могут быть сведены к  изучению динамики популяций, к учению о биогеоценозах и их системах. Структура биоценозов, на уровне формирования которых, как было отмечено, происходит освоение среды, способствует наиболее экономичному и полному использованию  жизненных ресурсов. Поэтому главная  теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы  вскрыть законы этих процессов и  научиться управлять ими в  условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты

3. Структура современной экологии. 

     В процессе развития экологические исследования в ботанике и зоологии шли довольно специфическими путями, что и привело  к искусственному и не вполне обоснованному  их разделению.

     В ботанике предметом экологии часто  считаются только взаимоотношения  растений с мёртвой седой, т.е. воздействия  физико-химических факторов на отдельные  виды растений. Взаимоотношения же между растениями, а, следовательно, и их сообществами рассматриваются  специальной наукой – фитоценологией. Изучением отношений в животно-растительных сообществах занимается биогеоценология.

     Кроме того, экологию обычно подразделяют на аутэкологию (экологию особей) и синэкологию (экологию сообществ). Однако такое  подразделение  не отображает специфики  современной экологии, изучающей  жизнь на уровнях различных биологических  макросистем. Поэтому Ю. Одум, к примеру, выделяет экологию видов, экологию популяций, экологию сообществ и экологию экосистем. Н.П. Наумов предлагает три подразделения: экологию особей, экологию популяций  и экологию сообществ. Г.А. Новиков, также выделяя в экологии три  подразделения, первое называет экологией  видов. Есть и другие мнения.

     Нет необходимости подробно анализировать  все существующие точки зрения относительно структуры современной экологии. Очевидно, чёткое расчленение её –  задача ближайшего будущего. Важно, что  в экологии объективно выделяются подразделения, изучающие органический мир на уровне особи (организма), популяции, вида, биоценоза, биогеоценоза (экосистемы) и биосферы. В связи с этим уже можно  чётко выделить: аутэкологию (экология особей), демэкологию (экология популяций), эйдэкологию (экология видов) и синэкологию (экология сообществ).

     Задачей аутэкологии (от греч. autos – сам) является установление пределов существования  особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые  организм выбирает из всего диапазона  их значений. Изучение реакций организмов на воздействия факторов среды позволяет  выявить не только эти пределы, но и физические, а также морфологические  изменения, характерные для данных особей.

     Демэкология (от греч. demos – народ) изучает естественные группировки особей одного вида, т.е. популяции – элементарные надорганизменные макросистемы. Важнейшей задачей  её является выяснение условий, при  которых формируются популяции, а также изучение внутрипопуляционных  группировок и их взаимоотношений, организации (структуры), динамики численности  популяций.

     Эйдэкология (от греч. eidos – образ, вид), или экология видов, - наименее разработанное подразделение  современной экологии. Вид как  уровень организации живойприроды, как надорганизменная биологическая  макросистема еще не стал объектом экологических исследований. Это  объясняется тем, что по мере развития экологии внимание и интерес исследователей с организма, т.е. с аутэкологии, переключились  на популяцию – дэмэкологию, а  затем на биоценоз, биогеоценоз и  биосферу в целом.

     Синэкология (от греч. syn – вместе), или экология сообществ (биоценология), изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, пути формирования и развития последних, структуру и динамику, взаимодействие их с физико-химическими  факторами среды, энергетику, продуктивность и другие особенности. Базируясь  на аут-, дем-, и эйдэкологии, синэкологияприобретает чётко выраженный общебиологический  характер. В основе аут-, дем-, и эйдэкологических исследований лежат особь (организм), популяция и вид конкретной группы живых существ (животные, растения, микроорганизмы). Синэкологические же исследования направлены на изучение сложного многовидового комплекса  взаимосвязанных организмов (биоценоз), существующего в строго определённой физико-химической среде, на рассмотрение с качественной и количественной точки их соотношения.

     На  базе этих направлений формируются  новые: глобальная экология, которая  разрабатывает проблемы биосферы в  целом, и социоэкология, которая  изучает проблемы взаимоотношений  природы и общества. При этом границы  между направлениями и разделами  довольно размыты: постоянно возникают  направления на стыке таких отраслей экологии, как популяционная экология и биоценология, или физиологическая  и популяционная экология. Все  эти направления тесно связаны  с классическими отраслями биологии: ботаникой, зоологией, физиологией. При  этом пренебрежение традиционными  натуралистическими направлениями  экологии чревато негативными явлениями  и грубыми методологическими  ошибками, может привести к затормаживанию развития всех остальных направлений  экологии.

4. Методы экологических исследований. 

     Полевые, лабораторные и экспериментальные  исследования.

Экология, как было отмечено, имеет свою специфику: объектом её исследования служат не единичные  особи, а группы особей, популяции (в  целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических  макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований.

     Для эколога первостепенное значение имеют  полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ  в естественной обстановке, непосредственно  в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции  организма и процессы, протекающие  в нём, а также влияние на эти  процессы различных факторов. Экология же,  используя физиологические  методы, рассматривает реакции организма  как единого целого на констелляцию внешних факторов, т.е. на совместное воздействие этих факторов при строгом  учёте сезонной цикличности жизнедеятельности  организма и внутрипопуляционной  разнородности.

     Полевые методы позволяют установить результат  влияния на организм или популяцию  определённого комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях.

     Однако  наблюдения не могут дать вполне точного  ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции  или сообщества. На этот вопрос можно  ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение  причин наблюдаемых в природе  отношений. В связи с этим экологический  эксперимент, как правило, носит  аналитический характер. Экспериментальные  методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных  факторов в искусственно созданных  условиях и таким образом изучить  всё разнообразие экологических  механизмов, обусловливающих его  нормальную жизнедеятельность.

     На  основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые  полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выводы, полученные в  лабораторном эксперименте, требуют  обязательной проверки в природе. Это  даёт возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций  и сообществ.

     Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых  можно строго дозировать тот или  иной фактор и точнее, чем при  наблюдении, оценить его влияние.

     Эксперимент может носить и самостоятельный  характер. Например, результаты изучения экологических связей насекомых  дают возможность установить факторы, влияющие на скорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура, влажность, пища).

     В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных  условий, но изучить влияние отдельных  факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно.

     Примером  экологических экспериментов широких  масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и различных  сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических  особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет  управлять деятельностью тех  или иных вредных или полезных организмов.

     В современных условиях экологические  исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических  и практических задач. Динамика численности  организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных  видов, прогнозы размножения и распространения  – вот основные в настоящее  время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания  полевых, лабораторных и экспериментальных  исследований, которые должны взаимно  дополнять и контролировать друг друга.

     Математические  методы и моделирование.

При экологическом  исследовании, которое обычно поводится  на определённом количестве особей, изучаются  природные явления во всём их разнообразии: общие закономерности, присущие макросистеме, её реакции на изменение условий  существования и др. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи  из всей популяции носит случайный  характер. И лишь применение методов  математической статистики даёт возможность  по случайному набору различных вариантов  определить достоверность тех или  иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайные отклонения или  закономерности) и получить объективное  представление о всей популяции.

     Однако  как только было установлено, что  все биологические системы, в  том числе и надорганизменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные  с такими областями математики, как  теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления, теория чисел, матричная алгебра.

     В последнее время широкое распространение  получило моделирование биологических  явлений, т.е. воспроизведение в искусственных  системах различных процессов, свойственных живой природе. Так, в «модельных условиях» были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических  моделей может служить и аппарат  искусственного кровообращения, искусственная  почка, искусственные лёгкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и  др.

     В различных областях биологии широко применяются так называемые живые  модели. Несмотря на то что различные  организмы отличаются друг от друга  сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у  них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более  простых существах. Они то и становятся живыми моделями. В качестве примера  можно привести зоохлореллу, которая  служит моделью для изучения обмена веществ; моделью для исследования внутриклеточных процессов являются гигантские растительные и животные клетки и т.д.

     Основной  задачей биологического моделирования  является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры  и функции биологических систем. сущность этого метода заключается  в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается  его искусственно созданное подобие  – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В противном случае полученные результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.

     В зависимости от особенностей оригинала  и задач исследования применяются самые разнообразные модели.

     Реальные (натурные, аналоговые) модели, если таковые  удаётся создать, отражают самые  существенные черты оригинала. Например, аквариум может служить моделью  естественного водоёма. Однако создание реальных моделей сопряжено с  большими техническими трудностями, так  как пока ещё не удаётся достичь  точного воспроизведения оригинала.

     Знаковая  модель представляет собой условное отображение оригинала с помощью  математических выражений или подобного  описания.

     Наибольшее  распространение в современных  экологических исследованиях получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности. Разновидности концептуальных моделей  характеризуются подробным описанием  системы (научный текст, схема системы, таблицы, графики и т.д.). Математические модели являются более эффективным  методом изучения экологических  систем, особенно при определении  количественных показателей. Математические символы, например, позволяют сжато  описать сложные экологические  системы, а уравнения дают возможность  формально определить взаимодействия различных их компонентов.