Лекция 1 Тема: Структура современной экологии.

Основные законы синэкологии.

1. Закон ограниченности (исчерпаемости) всех природных ресурсов:абсолютно неисчерпаемых ресурсов не существует.

Без нарушения существующего равновесия в окружающей среде нельзя исключать или добавлять более чем 1% всей энергии, входящей в энергетический поток биосферы (правило 1%).

2. Закон однонаправленности и неполного использования энергии:энергия используется только один раз, что сопровождается ее необратимыми потерями.

3. Закон «пирамиды масс (энергий)»: с одного трофического уровня на другой в наиболее благоприятных условиях переходит не более 10% массы (энергии), накопленной организмами нижнего уровня.

4. Закон максимализации энергии экосистем: среди конкурирующих экосистем, возможных в данной среде, побеждает та, что наиболее эффективно использует энергию и информацию.

5. Закон оптимальности: состав и размер частей экосистем не могут быть произвольными, а должны обеспечивать оптимальное функционирование всей системы в данных условиях среды.

6. Закон биогенной миграции атомов (закон Вернадского): пути миграции основных биогенных элементов и концентрация их во внешних сферах Земли контролируется биосферой.

7. Закон взимозависимости круговоротов: потоки вещества, энергии и информации и совокупность качеств отдельных природных систем в их стройной иерархии взаимосвязаны так тесно, что изменение любого элемента переводит биосферу в новое состояние.

8. Закон необходимого разнообразия: ни одну эффективную и устойчивую экосистему невозможно построить из тождественны элементов.

9. Закон развития и существования экосистем за счет окружения: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Основные следствия этого закона:

Ø абсолютно безотходное производство невозможно, подобно созданию «вечного двигателя». Оптимальны цикличные производства (отходы одних процессов служат сырьем для других), нейтрализация неустраняемых энергетических и других отходов, разумное депонирование (захоронение) неминуемых остатков;

Ø любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни – она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.

10. Закон снижения энергетической эффективности природопользования: с течением времени на единицу произведенной человеком пищи приходится затрачивать все большее количество энергии.

Роль климатических факторов в загрязнении атмосферы.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:

1. Гарин В.М., Кленова И.А., Колесников В.И. Экология для технических вузов. Ростов н/д: Феникс, 2001.- 384 с.

2. Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы: Учеб. пособие для вузов. СПб.: Химия, 1997. – 352 с.

3. Николайкин Н.И. и др. Экология. – М.: Дрофа 2004. – 422 с.

4. Бродский краткий курс общей экологии: Учеб пособие – СПб.: ДЕАН, 2000.- 224 с.

5. Одум Ю. Экология. Т1-2. – М.: Мир, 1986. – 128, 376 с.

6. Реймерс Н.Ф. Экология. Теория, законы, правила, принципы и гипотезы. М.: Мир 1994. 350 с.

7. Стадницкий Г.В. Экология: Учеб. пособие для вузов – СПб.: Химия, 2002. – 346 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

1. Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни – М.: 1995. – 470 с.

2. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: 4-х книгах. Кн. 1. Народонаселение и пищевые ресурсы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994.- 340 с.

3. Сытник К.М. и др. Словарь – справочник по экологии – Киев: Наукова думка. 1994. – 665 с.

4. Окружающая среда: Энциклопедический словарь-справочник /Пер. с нем. – М.: Прогресс, 1993. – 640 с.

Лекция 1 Тема: Структура современной экологии.

1. Предмет экологии. На современном этапе развития общества экология решает круг проблем и использует методы, материалы, принципы, далеко выходящие за рамки биологических наук. Ныне экология сформировалась в принципиально новую интегрированную дисциплину, объединяющую в себе все естественные, точные, гуманитарные и социальные науки. По словам проф. В.Алпатова, экологию ныне в равной мере можно отнести как к биологической, так и к географической области знаний, и ее следует рассматривать как целиком самостоятельную науку, так как проблема взаимодействия человеческого общества и природы приобрела черты фундаментальности, глобального значения. На долю экологии выпало разработать новые, научно обоснованные методы хозяйствования человека на Земле, исходящие из идеи сохранения биосферы планеты.

Существует несколько определений современной экологии и несколько классификаций ее основных составляющих (разные авторы уделяют основное внимание общефилософским и культурным, социальным, эколого-экономическим аспектам или биоэкологической детализации).

Итак, современная экология является одной из фундаментальных наук, своеобразной философией выживания человечества, стратегией преобразования цивилизации в 21 веке, которая должна отвечать современным реалиям во взаимоотношениях населения планеты и Природы, на базе взаимодействия и взаимопомощи всех наций в деле сохранения Биосферы и ее стабильного развития.

Экология– наука о среде нашего обитания, ее живых и неживых компонентах, взаимодействии между этими компонентами – человеком, растительным и животным миром, литосферой, гидросферой и атмосферой. Это наука об особенностях взаимосвязей и согласования стратегий Природы и Человека, которая должна базироваться на идее самоограничения, разумной коэволюции техносферы и биосферы. Все решения, связанные с использованием природных или человеческих ресурсов, с вмешательством в процессы жизнедеятельности биосферы, должны приниматься с учетом их ближайших и отдаленных экологических последствий.

Ныне сформировалось свыше 90 направлений экологических исследований. Которые можно объединить по принципам их отраслевой принадлежности, взаимосвязей, соподчиненности, приоритетности, теоретического общечеловеческого и практического значения

Высшим по рангу обобщающим понятием является универсальная (общая) экология –наука о тактике и стратегии сохранения и стабильного развития жизни на Земле. Она обобщает всю экологическую информацию, поступающую из других разделов, и на основе анализа этих данных и моделирования развития экологической ситуации на планете способствует принятию научно и логически обоснованных решений, касающихся реализации стратегических планов развития цивилизации.

Основные задачи общей экологии:

- изучение с позиций системного подхода общего состояния современной биосферы планеты, причин его формирования и особенностей развития под влиянием природных и антропогенных факторов (т.е. изучение закономерностей формирования, существования и функционирования биологических систем всех уровней во взаимосвязи с атмосферой, литосферой, гидросферой и атмосферой);

- прогноз динамики состояния биосферы во времени и расстоянии;

- разработка путей гармонизации взаимоотношений человеческого общества и природы, сохранение способности биосферы к самовосстановлению и саморегуляции с учетом основных экологических законов и общих законов оптимизации взаимосвязей общества и природы.

Современные исследования должны быть научной базой для разработки стратегии и тактики поведения человечества в природной среде, рационального природопользования, охраны и восстановления окружающей среды. Важнейшим выводом экологических исследований должно стать определение экологической емкости территорий, которая полностью зависит от состояния его экосистем.

Объектами экологии или ее отраслевых подразделений в зависимости от уровня исследований являются экосистемы или их элементы.

Главный предмет исследований – изучение особенностей и развития взаимосвязей между организмами, их группировками разных рангов, экосистемами и неживой компонентой экосистем, а также исследование влияния природных и антропогенных факторов на функционирование экосистем и биосферы в целом.

Итак, универсальной экологии подчинено два блока экологических исследований: теоретическаяи практическая экология.

Теоретическаявключает подраздел

1 - экология живых организмов (подразделы: экология человека, экология микромира, экология растений , экология животных).

Практическая экология объединяет три раздела:

2 – науки об охране и рациональном использовании природных ресурсов,

3 – науки о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду,

4 – науки о техногенных факторах влияния на окружающую среду.

Первым возник

Раздел 1, возник первым многие исследователи его называют биоэкологией.Это материнский субстрат экологической науки. Но к известным классическим разделам (согласно учению Ю.Одума, Р.Дажо, М.Реймерса, И.Дедю и др.) добавлены новые биоэкологические направления: биоэкомониторин;

теория заповедного дела;

теория искусственных экосистем;

основы биоиндикаци;

экотоксикология и др.

Раздел 2 часто называют геоэкологией. Основные ее элементы: ландшафтная экология, экономика природопользования и охрана окружающей среды, экология атмосферы;

гидросферы (включает экологию искусственных водоемов, Мирового океана, озер и болот, рек);

литосферы (включает экологию грунтов, месторождений полезных ископаемых (горного дела), геоинженерную экологию, геологическое заповедное дело и др.).

Новые разделы блока – геоинформатика и экология геоэнергоаномальных зон.

Раздел 3 (социоэкология) объединяет такие важные новые подразделы экологической науки, как

экологическое образование;

экологическое право;

урбоэкологи;,

экология народонаселении;

экологический менеджмен;

экологический маркетинг;

национальная и международная экополитика.

Раздела 4 (техноэкология) основные структурные элементы:

экология энергетики ( подразделы: экология АЭС, ТЭС, ГЭС, нетрадиционных источников энергии (солнечная, геотрмальная, ветровая, биоэнергетика, энергетика моря)),

экология промышленности ( химической, металлургической, топливной, электрической, лесохозяйственной, машиностроительной промышленности и стройматериалов),

агроэкология (мелиоративная, агрохимическая и экология животноводства),

экология транспорта,

военного дела,

экологическая экспертиза.

Все разделы тесно связаны и используют данные других разделов экологии для своих исследований, оценок и прогнозов.

Лекция 2 Тема: Основные экологические понятия и термины.

Основной (элементарной) функциональной единицей биосферы является экосистема.

Экосистема – единый природный комплекс, созданный за длительный период живыми организмами и средой их обитания, где все компоненты тесно связаны обменом веществ, энергии и информации. Но, согласно представлению Ю.Одума, не всякая комбинация «жизнь – среда» может быть экосистемой. Ею может стать лишь среда, где имеет место стабильность и четко функционирует внутренний круговорот веществ.

В зависимости от линейных размеров выделяют:

микроэкосистемы (лесная поляна, небольшое болотце), мезоэкостистемы (участок леса, озеро) ;

макроэкосистемы (континент, океан).

Глобальной экосистемой является биосферанашей планеты. Понятие «экосистема» более общее, чем «биогеоценоз», они тождественны лишь на уровне растительного сообщества и принципиально отличаются выше и ниже этого уровня.

Биогеоценозсостоит из таких компонентов, как биотоп и биоценоз. Биотоп – однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом (т.е. место обитания вида, организма);

Биоценоз – сообщество организмов (продуцентов, консументов, редуцентов), обитающих в пределах одного биотопа. Понятие «биоценоз» условно, т.к. вне среды обитания организмы обитать не могут, но им удобно пользоваться при изучении экологических связей между организмами.

В зависимости от местности, отношения к человеческой деятельности, степени насыщенности, полноценности и т.п. различают соответственно биоценозы суши и воды, природные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные.

При изучении экосистем характеризуют:

1) Популяционный (видовой) состав и количественное соотношение видовых популяций;

2) пространственное распределение отдельных элементов;

3) совокупность всех внутрисистемных связей, в первую очередь – цепей питания.

Экосистемы – открытые термодинамические функционально целостные системы, существующие за счет поступления извне энергии и частично вещества, саморазвивающиеся и саморегулирующиеся.

Одним из важнейших экологических понятий является гомеостаз. Гомеостаз - состояние внутреннего функционального равновесия природной системы (экосистемы), поддерживаемое регулярным обновлением его основных элементов и вещественно-энергетического состава, а также постоянным функциональным саморегулированием компонентов. Гомеостаз является характерным и необходимым для всех природных систем – от атома и организма до космических образований.

Все популяции имеют свойства, благодаря которым они удерживают свою численность на оптимальном уровне в условиях постоянно изменяющейся среды.

Популяция- совокупность особей одного вида, обитающая на общей территории на протяжении многих поколений.

Вид – совокупность организмов с общими морфологическими признаками (фенотипом), свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Это основная структурная единица в системе живых организмов, виды имеют морфологические, физиолого-биохимические, эколого-географические (биогеографические) и генетические характеристики.

Среда обитания – все живое и неживое, что окружает организмы и с чем они взаимодействуют и к чему приспосабливаются. Различают воздушную, водную и почвенную среду обитания, а также тело другого организма (для паразитов).

Экологические факторы – все составляющие (элементы) природной среды, которые воздействуют на существование и развитие организмов и на которые живые организмы реагируют реакциями приспособления (после исчерпания резервов приспособления наступает смерть). Раньше выделяли три группы экологических факторов:

- абиотические (неорганические условия: химические и физические, например, состав воздуха, воды, почв, температура, освещенность, влажность, давление, уровень радиаци и т.д.),

- биотические (формы взаимодействия между организмами, например, «хозяин – паразит», «хищник – жертва»),

- антропогенные (формы деятельности человека).

Сегодня различают десять групп экологических факторов (общее количество – около шестидесяти), объединенных в специальную классификацию:

1) по времени:

- факторы времени (эволюционное, историческое, действующее),

- факторы периодичности (периодичные и непериодичные),

- первичные и вторичные;

2) по происхождению:

- космические,

- абиотические,

- биотические,

- природно-антропогенные,

- техногенные,

- антропогенные;

3) по среде возникновения:

- атмосферные,

- водные,

- геоморфологические,

- физиологические (генетические, экосистемные);

4) по характеру:

- информационные,

- физические,

- химические,

- энергетические,

- биогенные,

- комплексные,

- климатические;

5) по объекту влияния:

- индивидуальные,

- групповые,

- видовые,

- социальные;

6) по степени влияния:

- летальные,

- экстремальные,

- ограничивающие,

- беспокоящие,

- мутагенные;

7) по условиям действия:

- зависимые от плотности,

- независимые от плотности;

8) по спектру действия:

- избирательного действия,

- общего действия.

Одни и те же экологичеcкие факторы неодинаково влияют на организмы разных видов, обитающих рядом: для одних они могут быть благоприятными, для других – нет. Важным моментом является реакция организмов на силу воздействия экологического фактора (интенсивность действия экологического фактора). В зависимости от интенсивности один и тот же фактор может оказывать положительное или отрицательное воздействие на организм.

Благоприятная доза (зона оптимума) экологического фактора для вида - диапазон значений фактора, не вызывающих отрицательных реакций, таких как замедление роста и развития, отсутствие размножения и т.д.

Зоной пессимума экологического фактора называют остальные значения фактора, угнетающие жизнедеятельность организма тем или иным образом.

Диапазоны зон оптимума и пессимума является критерием для определения экологической валентности – способности живого организма приспосабливаться к определенному диапазону условий среды. Чем шире диапазон условий, в которых вид нормально существует, – тем больше экологическая валентность вида и шансы на выживание вида в меняющихся условиях среды. Например, северный олень может выдерживать колебания температуры воздуха от –55 °С до +25 – 30 °С, а тропические кораллы погибают при изменении температуры среды на 5 – 6 °С. По экологической валентности организмы делят на стенобионты – с малой приспособляемостью к изменениям среды (орхидеи, форель, дальневосточный рябчик, глубоководные рыбы) и эврибионты – с высокой приспособляемостью к изменениям среды (колорадский жук, мыши, крысы, волки, тараканы, очерет, пырей). В пределах этих категорий в приложении к конкретному фактору среды различают эвритермные и стенотермные (по реакции на температуру среды), эвригалинные и стеногалинные (по реакции на соленость среды), эврифотические и стенофотические (по реакции на освещенность), и т.д.

Следует подчеркнуть, что в природе экологические факторы действуют комплексно, что проявляется в т.н. эффекте суммации – явление, при котором результат одновременного действия нескольких экологических факторов превышает результат действия каждого из факторов. Таково синергичное действие на живые организмы химических загрязнителей среды обитания и т.д.

Важным также является понятие лимитирующего фактора – фактора, значение которого приближается к границе приспособляемости организма, т.е. находится на границе зоны оптимума (законы минимума Либиха (1840) и толерантности Шелфорда (1913). Чаще лимитирующими факторами являются температура, освещенность, биогенные вещества, течения и давление в среде и т.д. Наиболее распространены организмы с широким диапазоном толерантности (бактерии, сине-зеленые водоросли).

Раздел экологии, изучающий влияние экологических факторов на существование и развитие отдельных видов организмов, взаимосвязей организма со средой, называется аутэкологией.Демэкология изучает условия формирования структуры и динамику численности популяций какого-либо вида. Раздел экологии, исследующий ассоциации популяций различных видов растений, животных, микроорганизмов, т.е. биоценозов, называется синэкологией (в ее составе выделяют фитоценологию (геоботанику), зооценологию и микробоценологию.

Следующим важным понятием являются цепи питания (трофические цепи – взаимодействия между организмами во время переноса энергии пищи от ее источника (зеленого растения) через ряд организмов (путем поедания) на более высокие трофические уровни, т.е. от автотрофов к гетеротрофам различных уровней. При переносе энергии с одного трофического уровня на более высокий большая часть энергии (80 – 90%) теряется в виде теплоты. Цепи питания делят на два типа:

цепи пастбищ(от зеленого растения до травоядного животного и далее – до хищников, поедающих растительноядных животных)и детритные (цепи разложения от детрита через микроорганизмы до детритофагов и их потребителей – хищников).

Детритом называют органические остатки и продукты жизнедеятельности живых организмов. Количество звеньев в трофической цепи обычно не превышает четырех – пяти. Последнее время считается, что правильнее термин «трофические сети», т.к. в состав пищи каждого типа входит несколько видов, каждый из которых, в свою очередь, может быть пищей для нескольких видов. Эффективность трофических цепей определяется величиной биомассы системы и ее биологической продуктивностью.

Биомасса – это общая масса особей одного вида, групп видов или сообщества в целом (растения, животные, микроорганизмы), приходящаяся на единицу поверхности (объема) среды проживания (в свежем или сухом виде). Выражают биомассу в килограммах на гектар, граммах на квадратный или кубический метр или в джоулях (единицах энергии). Наибольшую биомассу на суше имеют беспозвоночные и почвенные микроорганизмы (биомасса дождевых червей может достигать 1000 – 1200.кг/га), около 90% биомассы биосферы приходится на биомассу наземных растений, которые с помощью фотосинтеза – биосферного процесса – усваивают свободную энергию и обеспечивают существование всего живого. Наибольшей является биомасса тропических лесов (до 1700 т/га), наименьшей – тропических и субтропических пустынь (около 2,5 т/га). Биомасса луговых степей составляет 250 ц/га (неземная), лесной полосы (Полесье) – до 3500 – 4000 ц/га (наземная) и 960 ц/га (подземная).

Наземные растения по массе почти в 100 раз превышают наземных животных, а масса травоядных во столько же раз превышает массу хищников.

Биопродуктивностью называют скорость производства биомассы на данной площади (в объеме) среды в единицу времени. Различают: первичную (продуктивность продуцентов) и

вторичную биопродуктивность (продуктивность консументов и редуцентов). Первичная продуктивность материков составляет около 53 млрд. т органического вещества, Мирового океана – до 30 млрд. т в год. На суше основным источником биомассы являются тропические леса, леса Полесья и Сибири, в океане – зоны подъема обогащенных фосфором и азотом глубинных вод около материков в тропиках, а также материковые отмели холодных морей.

Подсчитано, что ежегодной биомассы планеты, используемой человеком, уже недостаточно для питания населения Земли, а вся биосфера способна накормить не более 7 – 10 млрд. человек.

Агроценозы – вторичные, измененные (искусственно созданные) человеком биогеоценозы, характеризующиеся бедностью видового состава и поддерживаются человеком благодаря разработанной им системе агрохимических и агротехнических приемов. В силу видового однообразия регуляторные связи в агроценозах очень слабы, что приводит к появлению множества вредителей и возбудителей болезней. Они существуют по сравнению с природными экосистемами очень недолгое время (зерновые агроценозы – год, садовые – 30 - 40 лет). Обмен веществ в агроценозах является несовершенным, незамкнутым, т.к. на входе – природные ресурсы, а на выходе – агрохимические, промышленные и бытовые отходы, которые не возвращаются в круговорот, не депонируются и не разлагаются.

Рассмотрим естественные круговороты веществ в биосфере – большой геологический и малый биологический.

Круговоротом веществ называется их многоразовое участие в процессах, непрерывно происходящее в геосферах. Огромную роль в этом процессе играют живые организмы, на что первым обратил внимание французский ученый Жан-Батист Ламарк. Владимир Иванович Вернадский исследовал этот вопрос и сформулировал основные законы биогеохимического круговорота.