Курс лекций по "Экологии"

5. ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС

Тема 1. Определение экологии, как науки краткая история  ее становления, основные задачи и методы.

1.Предмет и задачи экологии 
2. История развития экологии 
3. Значение экологического образования

    Термин “Экология” был введен в употребление немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем (1834-1919) в 1866 годы и в дословном переводе с греческого обозначает науку или домоводство (oicos- дом, жилище, logos - учение). Долгое время этот термин использовался только в зоологии и был мало известен даже среди ученых биологических специальностей. Эрнст Геккель дал этой науке исчерпывающее определение: “Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности и взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми оно прямо или косвенно вступает в контакт”. Одним словом, экология - это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал условиями, порождающими борьбу за существование. Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии - экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяции, т.е. совокупность особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень). Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общение закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая как биологическое существо). С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную. С научно-практической точки зрения вполне обоснованно деление экологии на теоретическую и прикладную. Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. В истории развития экологии можно выделить три основных этапа. Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. ХIХ в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой из обитания, делались первые научные обобщения. Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. ХIХ в.).  Третий этап (50-е гг. ХХ в. - до настоящего времени) - превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Процесс проникновения идей и проблем экологии в другие области знания получил название экологизации. В современной экологии, в науке об окружающей среде сталкиваются две системы взглядов, два разных подхода к проблеме взаимоотношений человека и природы. 1. Согласно первому подходу эти взаимоотношения строятся по правилам, которые устанавливает сам человек. Этот подход называют антропоцентрическим, или технологическим, т.е. ставящим человека, его технологии, его «власть над природой» в центр экологических проблем. Он характерен для многих политиков, экономистов, хозяйственников и представляет естественным для большинства инженеров. 2. Согласно другому подходу Человек как биологический вид в значительной мере остается под контролем главных экологических законов и в своих взаимоотношениях с природой вынужден и должен принимать ее условия. Биоцентрический, или экоцентрический подход, по существу ставящий в центр экологических проблем состояние и устойчивость живой природы, биосферы. В настоящее время остановить нарушение законов можно, только подняв на должную высоту экологическую культуру каждого члена общества, что, возможно, сделать, прежде всего, через образование, через изучение основ экологии.

Литература: 1. Коробкин В.И. и др. Экология. – М., 2003. с. 12-23. 2. Алишева К.А. Экология. – Алматы., 2006. с. 9-15. 3. Аскарова М.А. Общая экология. – Алматы, 2004. с. 5-16.

Тема 2. Разделы экологии: аутэкология, демэкология, синэкология, глобальная экология.

1. Аутэкология, демэкология, синэкология, глобальная  экология.
2. Взаимосвязь экологии с другими фундаментальными дисциплинами

       Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общение закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая как биологическое существо). В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы: аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой; популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии; синэкологию (биоценологию) - изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой. Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства - изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т.д. В изложенном выше понимании общую экологию нередко называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность. Современная экология не ограничивается только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к “экологизации” многих естественных, технических и гуманитарных наук.  Например, на стыке с другими отраслями знаний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т.д. Соответственно более широкое толкование получил и сам термин “экология”, а экологический подход при изучении взаимодействия человеческого общества и природы был признан основополагающим. Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе “человеческое общество - природа”, и ее часть - экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром. Исходя, из приведенных выше понятий и направлений следует, что задачи экологии весьма многообразны. В общетеоретическом плане к ним относятся: разработка общей теории устойчивости экологических систем; изучение экологических механизмов адаптации к среде; исследование регуляции численности популяций; изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания; исследование продукционных процессов;  исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости; моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие: прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека; улучшения качества окружающей природной среды; сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов; оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах. Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы. Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего и, “возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса” (Ф. Дре, 1976).

Литература: 1. Коробкин В.И. и др. Экология. – М., 2003. с. 12-23. 2. Алишева К.А. Экология. – Алматы., 2006. с. 9-15. 3. Аскарова М.А. Общая экология. – Алматы, 2004. с. 5-16. 4.Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М., 1998. с. 40-61.

Тема 3. Организм и среда

      1.Среды жизни. 
      2. Организм и условия его обитания

      3. Экологический фактор и их классификация

    Под средой обитания обычно понимают природные тела и явления, с которыми организм (организмы) находятся в прямых или косвенных взаимоотношениях. Наряду с термином «среда обитания» используются также понятия «экологическая среда», «природная среда», «местообитание», «окружающая среда», «окружающая природная среда», «окружающая природа» и др. Четких различий между этими терминами нет, но на некоторых из них следует остановиться. В частности, под популярным в последнее время термином «окружающая среда», понимается, как правило, среда, в той или иной (в большинстве случаев в значительной) мере измененная человеком. К ней близка по смыслу «техногенная среда», «антропогенная среда», «промышленная среда». Природная среда, окружающая природа – это среда, не измененная человеком или измененная в малой степени. С термином «местообитание» обычно связывается та среда жизни организма или вида, в которой осуществляется весь цикл его развития. В биологической (классической) экологии речь обычно идет о прикладной среде, окружающей природе, местообитаниях; в прикладной (социальной) экологии – об окружающей среде. Этот термин часто считают неудачным переводом с английского environment, поскольку отсутствует указание на объект, который окружает среда. На нашей планете живые организмы в ходе длительного исторического развития освоили четыре среды жизни, которые распределились соответственно минеральным оболочкам (гидросфера, литосфера, атмосфера). Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. В дальнейшем в ходе исторического развития организмы начали заселять наземно-воздушную среду. Четвертой сферой жизни стали сами живые организмы, каждый из которых является целым миром для населяющих его паразитов и симбионтов. Среды жизни выделяются обычно по фактору или комплексу факторов, которые никогда не бывают в недостатке. Эти факторы являются средообразующими и обуславливают свойства сред. Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные. Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают:  физические, химические и эдафические. Физические факторы – это те, источником которых служат физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, если она высокая – будет ожог, если очень низкая – обмораживание. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде – течение, на суше – ветер и влажность, и т.п. Химические факторы – это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, если она высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т.п. Эдафические факторы, т.е. почвенные, - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы живущие в них, т.е. для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известны влияния химических компонентов (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т.п. Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания (Хрусталев и др., 1996).  Биотические факторы делятся на: внутривидовые взаимодействия между особями одного и того же вида складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции и межвидовые взаимоотношения (между особями разных видов) значительно более разнообразны. Два живущие рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно. Возможные типы комбинаций и отражают различный виды взаимоотношений: нейтрализм – оба вида не зависимы и не оказывают никакого действия друг на друга; конкуренция – каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие; мутуализм – виды не могут существовать друг без друга; протокооперация (содружество) – оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу; комменсализм – один вид, комменсал, извлекает пользу из сожительства, а другой вид, хозяин, не имеет ни какой выгоды «взаимная терпимость»; аменссализм – один вид, аменсал, испытывает от другого угнетение роста и размножение; паразитизм – паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызывать его гибель; хищничество – хищный вид питается своей жертвой. Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических сообществ (биоценозов). Антропогенные факторы – факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т.д.), рассматриваются в прикладной экологии. Факторы, изменение которых во времени повторяются регулярно, называются периодическими. Факторы, возникающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищника и т.п.) называются непериодическими.

Литература: 1. Степановских А.С. Общая экология. – Курган, 1996. с. 124-215. 2. Алишева К.А. Экология. – Алматы., 2006. с. 20-27. 3. Коробкин В.И. и др. Экология. – М., 2003. с. 43-47.  4. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная - М., 1999. с. 25-31.

Тема 4. Общие законы зависимости  организмов от факторов среды.

1. Адаптация организмов к условиям  среды.

2. Основные закономерности действия  экологических факторов.

3. Биологические ритмы.

4. Понятие “жизненная форма” организмов.

Приспособление организмов к среде  называется адаптацией (лат. «приспособление»).  Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций) и их органов. Адаптация всегда развивается под воздействием трех основных факторов – изменчивости, наследственности и естественного отбора (равно как и искусственного – осуществления человеком). Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные. Первичные - это те факторы, которые существовали на Земле еще до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и наиболее совершенная. Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений; ряд биотических факторов внутривидового влияния и др. Они возникли позднее первичных и адаптация к ним не всегда четко выражена. Источником адаптации являются генетические изменения в организме - мутации, возникающие как под влиянием естественных факторов на историко-эволюционном этапе, так и в результате искусственного влияния на организм. В комплексе действия факторов можно выделить некоторые закономерности, которые являются в значительной мере универсальными (общими) по отношению к организмам. К таким закономерностям относятся правило оптимума, правило взаимодействия факторов, правило лимитирующих факторов и некоторые другие. Понятие о ведущих факторах нельзя смешивать с понятием ограничивающих факторах. Фактор, уровень которого может быть в недостатке или избытке оказывается близким к пределам выносливости организма,  называется ограничивающим или лимитирующим. Закон минимума или правило Ю. Либиха (1840) – вещество находящиеся в минимуме управляет урожаем и определяется величиной и устойчивостью последнего во времени или жизненность организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда (1913) : отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называются пределами толерантности. Правило оптимума. В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения, переходящие в критические точки, за которыми существование невозможно. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковы. Для одних они имеют значительный диапазон. Такие организмы относятся к группе эврибионтов (греч. эури - широкий; биос - жизнь). Организмы с узким диапазоном адаптаций к факторам называются стенобионтами (греч. стенос - узкий). Диапазон значений факторов (между критическими точками) называют экологической валентностью. Синонимом термина валентность является толерантность (лат. толеранция - терпение), или пластичность (изменчивость). Эти характеристики зависят в значительной мере от Среды, в которой обитают организмы. Зона оптимума и экологическая валентность обычно шире у теплокровных организмов, чем у холоднокровных. Правило взаимодействия факторов. Сущность его заключается в том, что одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Из этого, однако, не следует, что факторы могут взаимозаменяться, но они не взаимозаменяемы. Биологические ритмы – это переодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Они делятся на экзогенные (внешние) и эндогенные (внутренние).Способность организма ориентироваться во времени и заранее готовиться к предстоящим изменениям среды называются биологическими часами организма. Понятие о “жизненной форме” как совокупности приспособительных признаков впервые ввел в 1884 году один из основоположников экологии растений, датский ботаник Е.Варминг. Выработка у не родственных форм внешнего сходства, если эти виды ведут сходный образ жизни в близких условиях среды, называется конвергенции, а признаки - конвергентными. Широкое применение в экологических и фитоценотических исследованиях находит классификация жизненных форм, разработанная датским ботаником К. Раункиером (1934). В основу ее положена идея, что сходные типы приспособлений растений к среде - это прежде всего сходные способы перенесения наиболее трудных условий. К.Раункиер для классификации жизненных форм растений выбрал только один признак, но имеющий большое приспособительное значение: положение почек или верхушек побегов в течение неблагоприятного времени года по отношению к поверхности почвы и снегового покрова. Все растения К.Раункиер разделил на пять типов: 1.Фанерофиты 2. Хамефиры  3. Гемикриптофиты 4. Криптофиты  5. Терофиты. Жизненные формы животных, как и растений, весьма разнообразны в зависимости от принципов, которые кладут в их основу. На морфологии млекопитающих, по-видимому, в наибольшей степени сказывается характер их передвижения в разных средах. А.Н.Формозов выделил на этом основании среди зверей следующие адаптированные типы: наземные формы,  подземные (землерои),  древесные,  воздушные и водные. Д.Н Кашкаров (1945) разделил жизненные формы животных на: плавающие, роющие, наземные, древесные лазающие, воздушные формы.

Литература: 1. Аскарова М.А. Общая экология. – Алматы, 2004. с. 17-23. 2. Коробкин В.И. и др. Экология. – М., 2003. с. 47-75. 3. Николайкин Н.И. и др. Экология. – М., 2004. с.75-92. 4. Степановских А.С. Общая экология. – М., 1999. с. 57- 123., 216-247.

Тема 5.   Основы общей  экологии: структура   популяций.

    1. Понятие о популяциях в экологии и генетике. 
    2.Пространственная структура популяций 
    3. Статистические показатели популяций (численность, плотность, показатели структуры).

   Термин «популяция» был впервые введён в 1903 году датским учёным Иогансеном для обозначения «естественной смеси особей одного и того же вида, неоднородной в генетическом отношении». В дальнейшем этот термин приобрёл экологическое значение и им стали обозначать население вида, занимающее определённую территорию. Популяция – это элементарная группировка организмов определённого вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды. Термин «популяция» в настоящее время используют в узком смысле слова, когда говорят о конкретной внутривидовой группировке, населяющей определённый биогеоценоз, и широком, общем смысле, для обозначения обособленных групп вида независимо от того, какую территорию она занимает и какую генетическую информацию несёт. У популяции приспособительные возможности значительно выше, чем у слагающих её индивидов. Популяция как биологическая единица обладает определённой структурой и функцией. Структура популяции характеризуется составляющими её особями и их распределением в пространстве. Функции популяции аналогичны функциям других биологических систем. Им свойственны рост, развитие, способность поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях, т.е. популяции обладают конкретными генетическими и экологическими характеристиками. Пространство или ареал, занимаемое популяцией, может быть различным как для разных видов, так и в пределах одного вида. Величина ареала популяции определяется в значительной мере подвижностью особей или радиусом индивидуальной активности. В зависимости от размеров занимаемой территории Н.П. Наумов (1963) выделяет три типа популяций: элементарные, экологические и географические. Известно, что важнейшими являются количественные характеристики, которые позволяют решить большинство проблем качественного характера. Выделяют две группы количественных показателей – статистические и динамические. Статистические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. К статистическим показателям относятся их численность, плотность и показатели структуры.Численность популяции – это общее количество особей на данной территории или в данном объёме. Плотность популяции определяется количеством особей или биомассой на единицу площади либо объёма. Различают три типа распределения или расселения особей внутри популяции: равномерное, случайное или групповое.   Показатели структуры: половой – соотношение полов, размерный – соотношение количества особей разных размеров, возрастной - соотношение количества особей различного возраста в популяции. Описание полового и возрастного состава популяций называют демографией («демос» - народ, население, «графо» - пишу, описываю).