Понятие экологии. Структура. Основные задачи и принципы. Методы исследований. Связь экологии с другими науками.

Экология (от греч. ойкос - дом и логос — учение) — наука о законах взаимодействия живых организмов со средой их обитания.

Основателем экологии считается немецкий биолог Э. Геккель (1834- 1919 гг.), который впервые в 1866 г. употребил термин «экология». Он писал: «Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношении организма и окружающей среды, куда мы относим все "условия существования" в широком смысле этого слова. Они частично являются органической частично неорганической природы».

Структура экологии

Общая экология состоит из четырех основных разделов: биоэкологии, геоэкологии, экологии человека и прикладной экологии

1. Биоэкология состоит из экологий естественных биологических систем: особей, видов (аутоэкология), популяций и сообществ (синэкология) и экологии биоценозов.

2. Геоэкология изучает биосферные оболочки Земли, в том числе подземную гидросферу, минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных процессов. Геоэкологические исследования носят комплексный характер и включают в себя изучение ландшафтов, почв, поверхностных и подземных вод, горных пород, воздуха, растительного покрова.

3. Экология человека - комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как биологической особи и личности с окружающей его природной, социальной и культурной средами. Здоровье людей связано с экологической обстановкой и образом жизни (медицинская экология), на человека оказывает влияние среда морали, воззрений, традиций и трудно уловимой духовности (экология духа).

4. Прикладная экология представлена комплексом дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеком и природой. Она исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы, формирует экологические критерии и нормативы в промышленности, транспорте и сельском хозяйстве (экология природно-технических геосистем (ПТГС) и сельскохозяйственная экология).

Основные задачи экологии:

1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;

2. Улучшение качества окружающей природной среды;

3. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

4. Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагоприятных районах.

Основные законы и принципы экологии:

1.Закон незаменимости биосферы: биосфера - это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

2.Закон биогенной миграции атомов (В.И.Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется при непосредственном участии живого вещества - биогенная миграция.

3.Закон физико-химического единства живого вещества: при всей разнокачественности живых организмов они настолько физико-химически сходны, что вредное для одних не безразлично для других (например, загрязнители).

4.Принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие.

5.Закон единства «организм – среда»: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.

6.Закон однонаправленности потока энергии: энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой передается консументам, а затем редуцентам с падением потока на каждом трофическом уровне.

7. Закон необратимости эволюции Л. Долло: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков, даже вернувшись в среду их обитания.

8.Закон (правило) 10 процентов Р. Линдемана: среднемаксимальный переход с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой 10% энергии (или вещества в энергетическом выражений), как правило, не ведет к неблагоприятным последствиям для экосистемы и теряющего энергию трофического уровня.

9.Закон толерантности (В. Шелфорда): лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

10.Закон оптимума: любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы.

11.Закон ограничивающего фактора (закон минимума Ю. Либиха): наиболее значим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений; от него зависит в данный момент выживание особей; веществом, присутствующим в минимуме управляется рост.

12.Закон (принцип) исключения Гаузе: два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны, т.е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу.

13.«Законы» экологии Б. Коммонера:

1) все связано со всем;

2) все должно куда-то деваться;

3) природа «знает» лучше;

4) ничто не дается даром.

Методы исследования:

Методы исследования в экологии могут быть самыми разнообразными как по форме и уровню интеграции (химические, физические, биологические, молекулярные, морфологические, физиологические, демографические и т.д.), так и по содержанию (от описательных до аналитических, синтетических и др.).

1.Биологические науки. В основе экологии лежит фактический материал из различных отраслей биологии, так как воздействие окружающей среды на организмы может оцениваться с помощью биологических показателей их состояния. При этом используются знания из морфологии (учение о дисциплине строения организмов), включающей анато-цитологию. Взаимодействия организмов с химическими компонентами окружающей среды изучаются в физиологии и биохимии, а внешние реакции являются предметом этологии – науки о поведении и др.

2.Географические науки. Существенные отличия условий существования организмов в различных географических зонах на земной поверхности или в глубинах планеты вызвали необходимость дифференциации экологических знаний в зависимости от географического размещения организмов на Земле (экологии тропиков, экологии умеренной и полярной зон). На стыке экологии и географии сформировался и быстро развивается важный раздел экологии – географическая экология, называемый также геоэкологией либо ландшафтной экологией.

3.Физические и химические науки. В основе жизни лежит обмен веществ между организмами и средой, происходящий как в виде химических процессов в отдельных организмах, так и в виде более сложных процессов, протекающих на уровне экологических систем и биосферы в целом именуемых биогеохимическими циклами. Фундаментальные законы физики – законы термодинамики, законы сохранения вещества и энергии и др. – используются при формулировании основных закономерностей биологических и физических процессов переноса и преобразования органического вещества в пищевых цепях, процессов взаимодействия организмов с косными (неживыми) компонентами окружающей среды.

На стыке экологии и химии сформировалось новое экологическое научное направление – химия окружающей среды (химия воды, химия атмосферы, химия почв), основанная на законах общей химии, органической и неорганической, физической и коллоидной химии и других разделов химической науки.

4.Медицинские науки. В результате интенсивной человеческой деятельности на Земле значительно ухудшилось качество окружающей среды, что в общем случае означает отклонение условий среды обитания от физиологических требований организма. Организм реагирует на эти отклонения заболеваниями, выявление и лечение которых – уже задача медицины. Экологически важными задачами медицинской науки и ее отраслей – санитарии и гигиены – являются исследования последствий физического (в особенности, радиационного), химического, биологического загрязнения окружающей среды в результате производственной деятельности людей.

5.Математика. Изучение любых взаимодействий между организмами и средой может быть основано только на анализе количественных показателей состояния организмов и среды. Поэтому такие исследования возможны лишь с применением математических методов, в частности, статистического анализа. Широкое распространение в экологических исследованиях получили методы математического моделирования, которые находят широкое применение в экологическом прогнозировании с использованием компьютерной техники и информационных технологий.

6.Технологические и экономические. Чтобы в условиях современного индустриального общества обеспечить человеку приемлемое качество окружающей среды, соблюсти нормативы загрязнения в местах проживания и трудовой деятельности, необходимо создание систем экологического мониторинга, оснащенных средствами контроля качества среды; необходимы комплексы очистных и природоохранных сооружений и экозащитной техники и др.

Выбор оптимальных и экологически приемлемых вариантов и стратегий природоохранной деятельности на государственном, региональном или местном уровнях возможен только на основе применения экономических методов.

Сделать использование природных ресурсов экономным и незагрязняющим среду призвана новая отрасль экономической науки – экономика природопользования.

7.Правоведение. Конституция Российской Федерации провозглашает право граждан на благоприятную окружающую среду. Однако в процессе природопользования гражданами, между отраслями промышленности и ведомствами различного уровня возникают противоречия, которые в конечном итоге приводят к ущемлению прав граждан на чистую среду обитания и к нерациональному, часто хищническому, использованию природных ресурсов. Деятельность одних отраслей народного хозяйства может наносить ущерб другим отраслям и обществу в целом. Для регулирования этих отношений необходимо иметь развитое правовое обеспечение природопользования, основанное на подчинении промышленной, хозяйственной, индивидуальной и общественной деятельности правовым нормам – законам, указам, постановлениям, инструкциям, составляющим сферу экологического права.

8.Философские науки. Философы всех времен, начиная с античности, пытались осмыслить взаимоотношения природы и человека. Организм человека не даёт ему возможности на биологическом уровне конкурировать с другими видами. Зато разум позволяет организовать систему самозащиты, огородить себя и близких от опасностей внешней среды. Исторический опыт взаимоотношений человека и природы отражается в культуре (от лат. –воспитание, образование, развитие), под которой понимается специфический способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в виде духовных ценностей, в виде совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе.

История возникновения и развития экологии как науки. Вклад отечественных и зарубежных ученых (Аристотеля, Гиппократа, Р. Бэкона, А. Левенгука, Э. Геккеля, К. Линнея, Ж.-Б. Ламарка, Ч. Дарвина, Ю. Либиха, А. Тенсли, Э. Зюсса, В. И. Вернадского, И.И. Мечникова и других).

Слово «экология» происходит от греческих ойкос (дом) и логос (наука). В дословном переводе экология - изучение «природного дома», живущих в нём организмов (в том числе и человека) и всех процессов, делающих этот «дом» пригодным для жизни.

«Крещение» экологии как науки произошло 14 сентября 1866 г., когда немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919) поставил подпись под предисловием к своей книге «Всеобщая морфология организмов». В ней он дал следующее определение: «Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношении организмов к окружающей среде, куда мы относим все «условия существования» в широком смысле этого слова».

Этапы развития экологии:

1.Накопление фактов

2.Формирование теоретической основы

3.Формирование методологической основы

4.Создание концептуальной основы

5.Отраслевое разделение

Экология животных.

Распространение экологических представлений во второй половине XIX века способствовало усилению интереса научной общественности к проблеме взаимодействия между организмами и средой обитания. Экология животных в этот период развивалась в разных направлениях. Продолжалось накопление данных об образе жизни отдельных видов, прежде всего, имеющих практическое значение. Одновременно на основе анализа частных наблюдений возникали теоретические обобщения (Миддендорф, Форбс, Силантьев, Мечников, Рейли, Гензен, Мюллер, Северцовы).

Экология растений.

Экология растений (Цезальпин, Рей, Турнефор, Сакс, Либих, Гризенбах, Докучаев) одновременно зародилась в двух ботанических дисциплинах - фитогеографии и физиологии.

• Основы фитоценологических представлений заложил А.А. Гризенбах (1814-1879), сделавший первую попытку описания растительного покрова Земли в связи с климатическими особенностями.

• В.В. Докучаев (1846-1903) создал учение о географических зонах, охватывающих все элементы земной поверхности, развил представление о взаимосвязях между животными, растениями и минералами.

Экологические знания начали формироваться очень давно. В древних египетских, индийских, китайских и европейских письменных источниках 4­­-2 веков до н.э. имеются данные об образе жизни и изменениях численности растений и животных, а также показана связь условий среды и жизни человека.

Греческие философы Анаксимандр, Ксенофан, Эмпедокл выдвинули первые теории о происхождении растений и животных.

Гиппократом в 460-377 г.г. до н.э. были выдвинуты идеи о влиянии среды на здоровье людей.

Аристотель классифицирует животных по образу жизни и способу питания. Им было описано поведение более 500 видов животных.

В средние века в трудах немецкого химика и врача Парацельса (1493-1541) имеются идеи о влиянии природных факторов на организм человека.

В эпоху Возрождения появились труды таких ученых как Роджер Бэкон и Альберт Великий. Бэкон показал, что живые и неживые тела построены из одних и тех же материальных частиц, и живые существа находятся в тесной зависимости от окружающей среды. В энциклопедии Альберта Великого даны детальные описания известных видов живых существ, приведены факты селекции культурных растений.

В начале ХVII века был изобретен микроскоп. С его помощью Антон ванн Левенгук изучал строение простейших организмов, бактерий, клеток крови, а также пищевые цепи, регулирование численности популяций, впоследствии ставшие важнейшими разделами экологии.

Бюффон, французский натуралист, в своем многотомном труде «Естественная история» высказывал мысли о единстве животного и растительного мира.

В ХVIII веке ботанические и зоологические знания были обобщены.

Карл Линней в своей работе «Система природы» представил основы научной систематики животных и растений и выдвинул гипотезу о постоянстве видов, признал влияние условий жизни на многообразие животного и растительного мира.

Жан-Батист Ламарк в книге «Философия зоологии» объяснил феномен влияния среды обитания на организмы.

На единство, существующее в природе, указал российский зоолог Карл Рулье.

В 1859 г. появилась книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой была показана «история живого вещества», которая выражается в медленном изменении форм жизни и живых организмов, генетически между собой непрерывно связанных от одного поколения к другому без перерыва. Она вылилась в учение об эволюции видов – растений и животных, в том числе и человека.

В 1866 г. немецкий зоолог-эволюционист Эрнст Геккель (1834-1919) в своей работе «Общая морфология организмов» предложил весь круг вопросов, связанных с проблемой борьбы за существование и влияния на живые существа комплекса физических и биотических условий, назвать термином «экология». В своей речи «О пути развития и задаче зоологии», произнесенной в 1869 г., Геккель определил предмет новой отрасли знания следующим образом: «Экология- это познание экономики природы. Она исследует общие отношения животных как к их неорганической, так и к их органической среде, их дружественные и враждебные отношения к другим животным и растениям, с которыми они вступают в прямые или непрямые контакты, или, одним словом, все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование».

Немецкий химик Либих сформулировал закон минимума, согласно которому выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Фундаментальное значение для экологии имеет сформулированное немецким гидробиологом Мебиусом понятие «биоценоз».

Русский зоолог Миддендорф установил много фактов о сезонных миграциях птиц севера и востока Сибири.

Силантьев исследовал экологию грызунов и насекомых, впервые задачу прогнозирования численности вредителей. В работе показана роль хищников и паразитов в природе, чтобы с их помощью препятствовать размножению вредных для человека насекомых и грызунов.

Один из основоположников микробиологии и иммунологии И.И. Мечников пропагандировал идею использования в этих целях микроорганизмов.

Датский зоолог Мюллер исследовал загрязнение внутренних водоемов, выявил роль растений и животных гидробионтов в процессе самоочищения воды.

Немецкий ученый Земпер выявил закономерность, которая позднее получила название пирамида чисел.

В 1928 г. Гриннел ввел понятие «экологическая ниша», которое означает место вида в природе.

Русский биолог Сукачев ввел в науку термин биогеоценоз.

В1935 г. А. Тенсли сформулировал понятие экосистема. В отличие от биогеоценозов, экосистемы могут охватывать пространства разной протяженности.

Понятие биосферы как особой оболочки Земли дал австрийский геолог Зюсс.

Наиболее широкое и глубокое выражение учения о биосфере нашло в трудах выдающегося русского ученого В.И. Вернадского, издавшего в 1926 году книгу «Биосфера».

Благодаря трудам вышеперечисленных ученых экология к началу 20 века обрела самостоятельность.