Понятие об экосистеме. Состав и структура экосистем.

РАЗДЕЛ «ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ»

Экология как наука

Экология (от греческого «ойкос» - дом, жилище и «логос» - учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов со средой, в которой они обитают.

Главный объект изучения в экологии – экосистемы, то есть единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, то есть совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень), и биосферы в целом (биосферный уровень).

Основной, традиционной частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека 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 (демэкологию),в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов;

- 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 так далее.

В изложенном выше понимании общую экологию нередко называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность.

С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, то есть различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.

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.

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.

Термин «Экология» предложил Геккель в 1866г. С греч. переводится «наука о доме». Экология наука о взаимодействии живых организмов между собой и с окружающей средой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и свойствах этих систем в их естественной среде обитания и с учетом изменений, привносимых в эту среду деятельностью человека.

Как самостоятельная наука экология оформилась с начала ХХ века. Сейчас это бурно развивающаяся наука, которая основывается на принципах холизма – целостности природных систем. Предметом экологии являются экосистемы. Цель этой науки – создание общей картины организации природы на основе изучения механизмов самоподдержания жизни.

Задачи: 1) Изучение принципов организации надорганизменных систем; 2) Изучение места и роли человека в природе.

Жизнь – это активно идущий процесс самоподдержания и самовоспроизведения своей специфической структуры на основе определенной информации. Жизнь реализуется в биологических системах, к которым относятся клетки, организмы, биоценозы и экосистемы в целом, биосфера.

Для жизни необходима энергия. Биологические системы – это открытые, динамические, саморегулирующиеся системы, способные извлекать вещество и энергию из внешней среды. Значит, они не могут существовать изолированно от среды. То есть жизнь поддерживается на основе взаимодействия со средой, следовательно, она экологически обусловлена.

Природа организована так, что жизнь в ней может поддерживаться неопределенно долгое время, пока поступает энергия Солнца. Механизмом самоподдержания жизни является круговорот веществ на основе потока энергии.

1. Реализуется этот механизм благодаря тому, что живая природа представляет собой иерархический ряд живых систем (биосистем) разного уровня сложности. Причем система каждого уровня в свою очередь организована так, что может обеспечить собственный гомеостаз (постоянство базовых системных свойств) и выполнить функцию, необходимую для осуществления этого общего круговорота веществ на основе потока энергии.

1 уровень – биосферный

2 уровень – экосистемный

3 уровень – популяционный

4 уровень – организменный

5 уровень – клеточный

На клеточном уровне выполняется функция – метаболизм (обмен веществ и энергии). Метаболизм – это комплекс биохимических реакций, в ходе которых идет синтез органических веществ с поглощением энергии и распад органических веществ с выделением энергии. Т.е. происходит превращение вещества и энергии.

В природе есть 2 типа метаболизма:

-автотрофный, связанный с образованием органических веществ из неорганических,

- гетеротрофный, связанный с поглощением и преобразованием готовых органических веществ.

Гомеостаз на уровне клетки – это поддержание в ней определенного набора белков-ферментов, обеспечивающих реакции метаболизма.

2. Непосредственное взаимодействие со средой происходит на уровне организмов. Те компоненты окружающей среды, которые влияют на жизнь организмов, и организмы в ответ на их действие отвечают выработкой адаптаций, называются экологические факторы. Они бывают:

По природе – абиотические (неживые), биотические (живые) и антропогенные (связанные с деятельностью человека).

По составу – элементарные (неделимые) и комплексные (состоящие из нескольких элементарных).

По участию в жизнедеятельности – ресурсы (вспомогательные средства, обеспечивающие возможность осуществления жизнедеятельности, например, факторы, потребляемые как источник энергии и вещества) и условия (не потребляемые, но создающие обстановку, в которой происходит жизнедеятельность).

По влиянию на жизнедеятельность – фундаментальные (обязательные, которые действуют в течение всей жизни организма), факторы воздействия (приобретают значение экологического факторы только в отдельные периоды жизни организма) и лимитирующие (ограничивающие возможность существования организма).

Вопросы аутэкологии – экологии организмов (особей).

Организмы взаимодействуют со средой и испытывают воздействие ее определенных компонентов. Такие компоненты среды называются экологическими факторами. Их можно классифицировать по природе на биотические, абиотические и антропогенные. В ответ на действие экологических факторов организмы отвечают выработкой адаптаций.

Каждый организм имеет определенный набор адаптивных признаков, обеспечивающий ему возможность существования в определенном наборе экологических факторов. Эти признаки дают возможность сохранять гомеостаз, который на уровне организма связан с его базовыми морфо-физиологическими свойствами. Относительно каждого фактора у организма есть диапазон его значений, в котором он может жить, Это явление называется экологическая валентность. В рамках экологической валентности у каждого организма есть значения, при которых биологическая активность реализуется наилучшим образом. При отклонении значений данного фактора от благоприятных у организма включаются механизмы, приводящие к формированию дополнительных защитных адаптаций.

Адаптации бывают пассивные, когда организм переходит в состояние глубокого биологического покоя, и активные, когда идет перестройка организма. Перестройки бывают: морфологические, физиологические, биохимические и этологические. Стабильные адаптации обеспечивают существование организма в определенных постоянно действующих условиях, а лабильные адаптации возникают при колебаниях условий среды. За счет формирования лабильных адаптаций происходит тонкая настройка организмов на условия существования.

Взаимоотношения организмов с экологическими факторами отражены в аутэкологических законах:

Закон оптимума – у каждого организма (вида) есть наиболее благоприятные значения каждого ЭФ;

Закон толерантности – биологическая активность зависит в первую очередь от тех ЭФ, значение которые приближается к минимальным или максимальным;

Закон совместного действия ЭФ – на организм (вид) действуют все ЭФ совместно, причем они могут ослаблять или усиливать друг на друга;

Закон относительной независимости адаптаций – широта экологической валентности относительного одного ЭФ не означает такой же широты валентности относительно другого ЭФ;

Закон лимитирующих факторов – ЭФ, значение которых приближается к минимальным или максимальным, или выходит за рамки экологической валентности, ограничивают распространение вида;

Закон экологической индивидуальности – каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям.

В целом явление экологической валентности обеспечивает распределение организмов разных видов по разным условиям на планете. Поэтому каждый организм (вид) имеет определенное положение в природе:

1) Среда обитания. Каждый организм определенного вида имеет свою среду обитания: либо водную, либо почвенную, либо наземно-воздушную, либо средой является другой организм.

2) Местообитание («Экологический адрес вида»). Это часть пространства с определенной совокупностью абиотических и биотических экологических факторов, при которых организм данного вида может существовать.

3) Экологическая ниша - это область комбинаций таких значений факторов среды, в пределах которых данный организм (вид) может существовать неограниченно долго. Включает в себя местообитание организма, а также его функцию в сообществе по преобразованию и передаче вещества и энергии.

В зависимости от набора адаптивных признаков организмы можно классифицировать. Выделяют:

1) Экологическую группу. Этим понятиемобъединяются разные виды, сходно адаптированные к определенному экологическому фактору.

2) Экологический тип. Понятие объединяет совокупность особей одного вида, отличающихся от другой совокупности этого же вида по некоторым адаптивным признакам в связи с существованием в специфическом комплексе условий.

3) Жизненную форму. Это совокупность организмов разных видов, имеющих сходные адаптивные морфо-физиологические признаки также в связи со сходством комплекса условий, в которых они существуют.

3. Вопросы демэкологии и синэкологии (экологии популяций и сообществ)

Организмы определенного вида в природе существуют не одиночно, а объединены в популяции, изолированные более или менее в пространстве и во времени от других таких же объединений данного вида. Популяция – это конкретная форма существования вида в природе.

Популяции имеют закономерную структуру. Виды популяционной структуры: пространственная, генетическая, половая, возрастная, экологическая.

Основным гомеостатическим показателем популяции является ее численность. Она зависит от соотношения процессов рождаемости, смертности и миграций. Важным показателем состояния популяции является также ее плотность – количество особей на единицу пространства, занимаемого популяцией. В определенных условиях среды популяция обладает способностью поддерживать свою численность и плотность на оптимальном уровне. Постоянство численности поддерживается за счет внутрипопуляционных механизмов (изменение рождаемости и смертности) и межпопуляционных механизмов (изменение степени воздействия со стороны других видов).

Существование популяции зависит от биотических отношений, среди которых выделяют внутрипопуляционные (внутривидовые), такие как эффект группы, эффект массы, внутривидовая конкуренция, и межпопуляционные (межвидовые): межвидовая конкуренция, аменсализм - одностороннее угнетение, нейтрализм, ресурс-потребитель – основа круговорота веществ (хищничество и паразитизм), комменсализм – односторонняя польза (наездничество, нахлебничество и квартиранство) и мутуализм – двусторонняя польза (симбиоз и протокооперация).

На основе межвидовых отношений разные виды объединяются в сообщества (биоценозы).

РАЗДЕЛ «ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА»

Потребности человека

Вопрос о потребности человека напрямую связан с его экологией, потому что удовлетворение потребностей происходит через взаимодействие со средой.

Потребности человека бывают:

- биологические

- социально – психологические

- экономические (которые призваны к удовлетворению первых 2 групп)

Потребности могут быть первичные базовые, без удовлетворения которых не возможна жизнь нормального человека, и вторичные, удовлетворение которых не только не обязательно для жизни, но за частую разрушительны для него.

Сформировался порочный круг, в котором вторичные потребности, возникающие в рамках экономических, стимулируют развитие экономики, а развитие экономики вызывает появление новых вторичных потребностей. Поэтому в системе вторичных потребностей сложилось множество искажений по удовлетворению первичных потребностей с тяжелыми для человека последствиями.

Качество человека

Качество современного человека зависит от системы потребностей и характера их удовлетворения. Его можно охарактеризовать по трем основным параметрам:

- физическое состояние. Человеческий организм – это лучшая биологическая система в природе. Однако сейчас в человеческой популяции накоплен значительный генетический груз и 5% детей рождаются больными, 83% людей старше 60 лет больны одним или несколькими хроническими заболеваниями. Многие заболевания помолодели. В целом снижена сила и выносливость человека.

- интеллект. Человек имеет высшую степень развития интеллекта – разум. Однако сейчас наблюдается застой интеллектуальной деятельности в значительной степени в связи с распространением технических средств, коммуникаций, получение обработки информации.

- нравственность и воспитанность. Человек способен на поступки высшего уровня нравственности до самопожертвования. Но развитие общества шло в направлении расширения сферы вторичных потребностей и закреплялись качества, обеспечивающие быстрое их удовлетворение. Отсюда закрепление социального неравенства, утрата видовой общности, ксенофобия. Недостаток нравственности может быть частично замаскирован воспитанностью. Однако сейчас снижена воспитательная роль семьи и воспитанием занимаются в основном СМИ и Интернет, где не ставится цель воспитания нравственного человека, а воспитывается потребитель.

Среда обитания человека.

Среда, в которой живет человек включает в себя составляющие:

- природная среда;

- социальная среда;

- искусственная (материальная среда), которая, в свою очередь состоит из квазиприродной среды (природная среда, измененная деятельностью человека), техногенной среды (среда искусственно созданных объектов), селитебной среды (среда жилищ и населенных пунктов) и производственной среды.

На стыке природной среды и социальной формируется среда антропогенеза (развития человека).

Проблемы техносферы

Развитие техносферы осуществлялось с целью удовлетворения потребностей человека, однако при этом мало или совсем не учитывались существующие закономерности организации и самоподдержания биосферы. Это привело к тому, что в техносфере накопилось большое количество проблем, способных привести к глобальному экологическому кризису, разрушению биосферы и гибели человечества.

1 блок проблем – исчерпание природных ресурсов.

Природные ресурсы делятся на неисчерпаемые (солнечный свет, ветры, волны и др.) и исчерпаемые: возобновимые (живые организмы, вода, почвы) и невозобновимые (минеральные полезные ископаемые и природное органическое топливо – нефть, газ, каменный уголь и др.). Для каждого исчерпаемого ресурса есть предел скорости изъятия и степень исчерпания).

Сейчас ситуация с этими ресурсами такова:

Земельный ресурс: деградация почв и аридизация (опустынивание) земель из-за непродуманной хозяйственной деятельности.

Водный ресурс: нарастание дефицита чистой пресной воды из-за использования природных вод в хозяйстве, что приводит к их загрязнению.

Воздушный ресурс: накопление техногенных газов, пыли, сажи, что нарушает естественное соотношение газов в атмосфере.

Биологический ресурс: снижение разнообразия видов в биосфере из-за прямого уничтожения, разрушения местообитаний, вырубки лесов, непродуманной интродукции новых видов, нарушающих естественный баланс в экосистемах.

Минеральный и органический ресурс: нарастание темпов исчерпания.

2 блок проблем – загрязнение среды отходами деятельности.

Загрязнение – это привнесение в среду агентов, несвойственных для нее, или превышение естественного уровня свойственных агентов.

Виды загрязнений:

Физическое –электромагнитное (все электрические приборы и линии электропередач), радиоактивное (атомные взрывы, аварии, медицинское оборудование), тепловое (техногенное тепло из-за работающих механизмов), звуковое (техногенные шумы и вибрации), световое (искусственное освещение в неестественное время суток).

Химическое – моющие средства, пластмассы, окислы азота и серы, аэрозоли, тяжелые металлы, ядохимикаты, гниющие отбросы, бытовой и производственный мусор, табачный дым и др.

Биологическое - новые возбудители инфекций, непродуманная интродукция и др.

Эстетическое -замусоренность территорий, негармоничные постройки и др.

Наиболее опасные последствия загрязнения:

Кислотные дожди – из-за растворения в атмосферной воде окислов азота и серы с образованием кислот, которые выпадают с осадками, повреждая живое.

Парниковый эффект – из-за накопления в атмосфере техногенных газов, препятствующих обратному тепловому излучению Земли, и техногенного тепла, что может привести к таянию ледников планеты и подъему уровня мирового океана.

Разрушение озонового экрана – из-за накопления в атмосфере веществ типа фреонов, которые способствуют уменьшению количества озона, улавливаюшего жесткое космическое ультрафиолетовое излучение, что может привести к гибели всего живого.

Отравление живого – из-за накопления в пищевых цепях живых организмов токсических веществ, применяемых в хозяйственно деятельности.

3 блок проблем – особенности хозяйственной деятельности.

Сельское хозяйство – разрушение естественных ландшафтов под угодья и уменьшение видового разнообразия в пользу нескольких отобранных человеком видов; обнажение почв, их истощение и эрозия; накопление в почвах загрязнителей из-за удобрений и ядохимикатов.

Промышленность и транспорт – изменение структуры литосферы из-за извлечения полезных ископаемых; изменение гидрологического режима территорий из-за хозяйственного использования воды; загрязнение всех сфер планеты выбросами; отчуждение земель под строительство предприятий и дорог; проблема регенерации и утилизации отслужившей техники.

Проблема урбанизации (роста и развития городов) – происходит рост городского населения, т.к. город обеспечивает лучшее удовлетворение потребностей, но город – это специфическая антропогенно - трансформированная территория, где сконцентрированы многие проблемы техносферы: почти все виды загрязнения, избыточность контактов и потока информации, гиподинамия, нерациональное питание, распространенность вредных привычек. Все это приводит к тому, что состояние человека в городе подобно состоянию дегенеративного стресса перенаселенной популяции животных и может закончиться вымиранием.

4 блок проблем – экологические поражения.

Экологические поражения – это такие нарушения окружающей среды, которые приводят к деструкции экосистем, ущербу здоровью человека и экономики.

Виды экологических поражений:

Техногенные аварии и катастрофы –они происходят настолько часто и повсеместно, что это определяется как эпидемия катастроф.

Хронические экологические поражения – они связаны либо с длительно затухающими последствиями катастроф и аварий, либо с протяженными во времени последствиями ошибок при создании хозяйственных объектов (заводов, ирригационных сооружений и т.п.), нарушающих естественные процессы.

Поражения здоровья людей –это болезни дезадаптации, связанные с нарушением здорового образа жизни и профессиональными вредностями, и техногенные болезни, связанные с различными видами загрязнения среды (лучевая болезнь, виброболезни, шумовые болезни, интоксикации, аллергии и т.д.). По данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения) среди причин болезней 20% составляют наследственные нарушения, 20% - ухудшение экологии, 10% – медицинские просчеты и 50%– нарушение людьми здорового образа жизни.

Вероятность экологических поражений называется экологический риск, а отсутствие их – экологическая безопасность.

5 блок проблем – глобальные проблемы человечества.

Эти проблемы имеют отношение ко всем людям, т.к. все люди относятся к человечеству.

Демографическая проблема – основная, связана с тем, что численность человечества слишком велика и продолжает расти. Особенно быстрый рост произошел во второй половине 20 века – демографический взрыв. Рост численности приводит к увеличению давления на биосферу и усугублению остальных проблем.

Продовольственная проблема – связана с демографической. Суммарного пищевого ресурса человечества уже сейчас не достаточно для полного обеспечения всего населения. Проблема усугубляется крайне неравномерным распределением продовольствия и доходов людей. В мире 1 млрд. людей недоедает, 0,5 млрд. голодает и 35 тыс. человек ежедневно умирают от голода, а американцы ежегодно тратят 5 млрд. долларов на борьбу с ожирением и 8 млрд. долларов на косметику, европейцы съедают мороженного на 11 млрд. долларов в год, а 13 млрд. хватило бы на элементарную медицинскую помощь и на то, чтобы накормить всех нуждающихся в мире.

Энергетическая проблема – также связана с демографическим взрывом, который привел к мощному развитию новых технологий (НТР) и увеличению энергоемкости производства. Потребление энергии возрастает в 2 раза каждые 10 лет. Основным источником энергии является природное органическое топливо, которое относится к невозобновимым ресурсам. По расчетам нефти осталось на 60 лет, каменного угля – на 400 лет. Выход – в разработке альтернативных источников энергии, но их мощностей в настоящее время недостаточно для обеспечения разросшейся человеческой цивилизации.

Возможно, первый прогноз о перспективах существования человечества бал сделан еще в Древнем Египте. На пирамиде Хеопса написано: «Люди погибнут от неумения пользоваться силами природы и от незнания истинного мира».

Научные прогнозы стали делать, начиная от создания Римского клуба в 1968 г., когда были собраны ведущие ученые из разных стран для проведения анализа состояния биосферы и социума и обоснования мер по предотвращению глобального кризиса. Было сделано 2 доклада: «Пределы роста» (1972г.) о том, что человечество подойдет к порогу гибели к концу 20 века, и «Человечество у поворотной черты» (1974г.) о том, что экологического кризиса биосферы в целом пока нет, но будет серия локальных кризисов.

С 80-х годов стали делать не универсальные прогнозы, в связи с их сложностью, а детальные: экономические, демографические, энергетические, продовольственные, климатические. Общий вывод: угроза глобального экологического кризиса, который приведет к гибели человечество, реальна и велика. Поэтому необходимо пересмотреть систему человеческих ценностей, сдерживать рост и снижать природоемкость производства.

В настоящее время стало очевидно, что материально ориентированное человеческое общество находится в глубоком кризисе, и что угроза глобального экологического кризиса, который приведет к гибели человечество, реальна и велика. Поэтому необходимо пересмотреть систему человеческих ценностей, сдерживать рост и снижать природоемкость производства.

«Рациональное природопользование и устойчивое развитие».

Экологические аксиомы.

Для обеспечения возможности создания экологической ниши рационального природопользования и устойчивого развития необходимо знание и понимание экологических законов. Основные законы были сформулированы в 1974г. в виде 4 экологических аксиом Коммонером, затем дополнены еще одной аксиомой Акимовой и Хаскиным.

1. «Все связано со всем». Аксиома основана на законе больших чисел и отражает экологический принцип холизма (целостности) систем.

2. «Все должно куда-то деваться». Аксиома говорит о необходимости замкнутого круговорота веществ для обеспечения стабильного состояния биосферы.

3. «Ничто не дается даром». Аксиома показывает, что каждое новое достижение неизбежно сопровождается утратой чего-то прежнего.

4. «Природа знает лучше». В этой аксиоме речь идет о том, что главным критерием эволюционного отбора является вписанность деятельности живых существ в биосфере в круговорот веществ.

5. «На всех не хватит». Согласно закону константности живого вещества в биосфере в определенный геологический период, преимущественное развитие одного из видов биоты возможно только за счет уменьшения количества других, что ведет к разбалансировке системы биосферы.

Пренебрежение человеком в ходе своего взаимодействия с окружающей средой любой их этих аксиом, а тем более всех, неизбежно приведет рано или поздно к деградации среды и гибели человечества.

Экологизация экономики.

Для снижения скорости нарастания экологических проблем необходимо сближение экологии и экономики. Это связано с тем, что вторичные потребности человека не удовлетворимы, а природные ресурсы не безграничны. Возможность сближения отражена в принципах экологизации экономики:

1. Включение экологических факторов в экономическую категорию богатства.

2. Переход на новую систему ценообразования с учетом затрат на экологический ущерб и экологический риск.

3. Отказ от затратного подхода на охрану среды.

4. Эколого-экономическая ориентация системы потребностей и стандартов благосостояния.

Принципы экологизации экономики смогут быть реализованы лишь при соблюдении ряда условий:

1. Осознание роли человека в жизни природы.

2. Осознание роли природы в жизни человека.

3. Комплексный подход к окружающему человека материальному и духовному миру.

Экологическое право.

В Международной Декларации Прав Человека, принятой ООН в 1948г. записано: 1) человек имеет право на чистую и здоровую среду; 2) человек имеет право на защиту от вредных воздействий. Эти положения отражены в конституциях многих стран. Поэтому существует категория экологических преступлений и правонарушений, за которые предусмотрены санкции уголовного, экономического, административного и дисциплинарного характера. Это: 1) Загрязнение окружающей среды; 2) Нерациональное использование природных ресурсов; 3) Исчерпание природных ресурсов; 4) Разрушение природных объектов; 5) Разрушение экосистем.

Эти вопросы регулируются экологическим правом и формируемым на его основе экологическим законодательством, Сюда относится:

1) Экологическая аттестация и паспортизация – документальное описание эколого-экономических объектов хозяйственной деятельности.

2) Экологический аудит – независимое освидетельствование и оценка деятельности предприятий с точки зрения их экологический воздействий.

3)Экологический контроль (включая экологическую милицию) - надзор за соблюдением экологических норм взаимодействия со средой и использования природных ресурсов.

РАЗДЕЛ «ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ»