Методы экологического исследования

Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИИ.

Со второй половины 20 в. экология широко развивалась как наука.

Загрязнение окружающей среды –любое внесение не свойственных окружающей среде живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота, обмена веществ, потоки энергии, приводящие к снижению продуктивности или разрушению тех или иных комплексов.

Выделяют естественные и антропогенные загрязнения. К естественным относятся: извержение вулканов, опустынивание земель и др. Антропогенные делятся на: физические, химические, биологические и радиоактивные.

Химическое загрязнение – поступление в окружающую среду химических веществ в концентрациях, превышающих норму, или не свойственных ей.

Физическое загрязнение включает в себя: тепловое, шумовое и электромагнитное загрязнение. Основными источниками загрязнения являются теплотрассы и теплостанции. К естественным источникам относятся атмосферное электричество и космическое излучение.

Биологическое загрязнение связано с проникновением в окружающую среду чуждых растений, животных и микроорганизмов.

Экологические проблемы по масштабам делятся на: локальные, региональные и глобальные (в т.ч. радиоактивное загрязнение).

В 60-70-е гг. начинается экологизация. В 1968 г. по инициативе итальянского экономиста Аурелио Пичео был создан Римский клуб. В настоящее время в него входят около 100 ученых из 30 стран. Они разрабатывают стратегию по решению глобальных проблем: истощения природных ресурсов, загрязнения окружающей среды, обеспечения населения продовольствием. В 1972 г. был подготовлен доклад «Пределы роста», в котором давалась математическая модель развития общества и была высказана мысль, что к 2020 году произойдет экологический коллапс.

В 1972 г. состоялась Стокгольмская конференция, на которой была принята Декларация принципов. В ней освещались три основных принципа:

1. Государство в праве использовать собственные ресурсы в соответствии с национальной политикой, однако несет ответственность за свою деятельность, которая не должна причинять ущерб соседним государствам.

2. Природные ресурсы должны быть сохранены на благо нынешних и будущих поколений путем тщательного планирования деятельности человека.

3. Невозобновляемые ресурсы должны разрабатываться с учтом обеспечения защиты от их истощения в будущем и с выгодой для всего человечества.

В 1992 г. состоялась конференция в Рио-де-Жанейро, на которой были определены три центральные проблемы: изменение климата, опустынивание земель, разрушение озонового слоя. Была разработана «Повестка дня на 21 век».

В 1997 г. в Японии был подписан Киотский протокол, согласно которому все развивающиеся страны к 2008-2012 годам должны уменьшить выбросы парниковых газов на 5%. Беларусь в этом протоколе не упоминается, а США отказались подписать его.

Термин «экология» был введен в 1886 г. Геккелем. Под ним Геккель подразумевал общую науку об отношениях организмов с окружающей средой.

Современное понятие звучит так: экология –наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой.

С начала 20 в. экология оформилась в самостоятельную науку (Тимирязев, Докучаев, Вернадский).

Основные понятия

Организм –развивающаяся система с момента рождения и до гибели, в которой выделяются органы, специализирующиеся на выполнении определенных функций и поддерживающих систему.

Популяция –совокупность особей одного вида, объединенных общим местом обитания. Она способна к саморегулированию для поддержания определенной численности.

Биоценоз –единое сообщество совместно обитающих различных видов живых организмов, которые населяют относительно однородное пространство.

Экосистема –сообщество живых организмов различных видов вместе с жизненным пространством, которое они занимают. В экосистеме выделяют блоки. Первый состоит из взаимосвязей организмов разных видов и называется биоценоз. Второй включает в себя жилую среду – биотоп.

Биом –крупная экосистема, которая расположена в определенной климатической или ландшафтно-географической зоне (тайга, степь, тундра).

Биосфера –совокупность всех экосистем планеты в пределах атмосферы, гидросферы и литосферы.

Предмет экологии

Согласно первому принципу предмет выделяется в соответствии с уровнем организации живой материи (ген – клетка – орган, орган – организм – популяция – сообщество) – биологическим спектром.

Закрытая система –система, в которой не производится обмен веществом, но производится обмен энергией.

Открытая –производится обмен и веществом, и энергией.

Изолированная -не производится обмен ни веществом, ни энергией.

Второй принцип связан с типом среды и местом обитания организма. Предметом являются взаимоотношения организмов в определенных условиях среды.

Третий принцип основывается на области приложения экологических знаний. Предметом являются природные ресурсы, загрязнители окружающей среды и их действие на организмы.

Структура экологии

Основная часть – общая экология – изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды.

Аутэкология – раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов с окружающей средой. Рассматривает организмы как живые существа, обладающие совокупностью свойств, которые отличают их от неживой материи. Ее задачей является установление пределов существования организма в тех пределах физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона значений.

Демэкология (популяционная экология) – наука о популяции, изучающая действие факторов среды в популяциях и ее динамику численности. Задача – выяснение условий, при которых формируется популяция и изучение динамики ее численности.

Синэкология (экология сообществ) – изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, которые образуют сообщество, а также пути их формирования, развития структур, взаимодействия с окружающей средой.

Глобальная экология изучает биосферу.

Экология делится на теоретическую и прикладную. Теоретическая вскрывает общие закономерности организации жизни. Прикладная изучает механизмы разрушения биосферы человеком, разрабатывает способы предотвращения и определяет принципы рационального использования ресурсов (химическая экология, промышленная экология, экология космоса).

Системность экологии

Экология как самостоятельная наука рассматривает все организмы и элементы в естественной взаимосвязи. Поэтому основным подходом является системный.

Задачи экологии

В общетеоретическом плане выделяются следующие задачи:

· Разработка теории устойчивости экосистем;

· Изучение механизмов адаптации к окружающей среде;

· Изучение регуляции численности популяций;

· Изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

· Моделирование состояния экосистем и глобальных проблем.

Основными задачами являются:

· Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей среде под действием человека;

· Повышение качества окружающей среды;

· Сохранение воспроизводства и рационального использования природных ресурсов.

Стратегическая задача – развитие теории взаимодействия природы и общества, в котором человечество рассматривается как неотъемлемая часть биосферы.

Лекция 2. Биосфера.

Биосфера –совокупность всех экосистем планеты в пределах атмосферы, гидросферы и литосферы, и охватывающая все биомы земли.

Понятие биосферы первым сформировал Ламарк. Термин – Зюсс.

Учение о биосфере сформировал Вернадский. При появлении и воздействии человека биосфера превращается в техносферу. Ноосфера – гипотетическая стадия развития биосферы, когда в будущем разумная деятельность людей станет главным фактором ее устойчивого развития.

Предпосылками ноосферы являются:

· Человечество должно быть единым целым;

· Обязательное равенство людей;

· Рост общего уровня жизни;

· Полное исключение войн.

Основными компонентами биосферы считаются:

1. Живое вещество: все живые организмы;

2. Костное вещество: неорганического происхождения;

3. Биогенное вещество: создается и перерабатывается живыми организмами (например, нефть, каменный уголь);

4. Биокостное вещество: создается в процессе жизнедеятельности живых организмов и неорганически – ил, почва.

Критерии живого вещества:

1. Наличие соподчиненной структуры (деятельность организма человека невозможна без деятельности клеток).

2. Наличие специфических химических соединений, которые являются активными при жизни и разлагаются после смерти.

3. Обмен веществом, энергией и информацией.

4. Стремление заполнить собой все пространство.

5. Эволюционные процессы присущи только живому веществу.

Закон необратимости эволюции (Долло): организм не может вернуться к предыдущему состоянию, а лишь переходит к качественно новому уровню.

Общее видовое разнообразие в бисофере есть константа (т.е. постоянная величина).

Биосфера состоит из биотического (живого) и абиотического (неживого) компонентов. К абиотическому относятся атмосфера, гидросфера и литосфера.

Атмосфера – газовая оболочка Земли (азот + кислород): тропосфера (7-18 км); стратосфера (40 км); ионосфера (60-1000 км). Озоновый слой располагается в 8-30 км от поверхности Земли. Озон возникает при разряде из кислорода и способен поглощать жесткое ультрафиолетовое излучение. Ионосфера выполняет функцию экрана от космических тел, в ней происходят процессы, обуславливающие северное сияние.

Гидросфера – мировой океан, реки, озера, моря и подземные воды.

Литосфера – земная кора и верхняя мантия Земли.

Нижний предел существования определяется температурным фактором – 3 км. На более глубинных слоях найдены простейшие организмы.

Причины устойчивости биосферы:

· Наличие магнитного поля (движение Земли вокруг своей оси плюс движение расплавленных масс внутри планеты).

· Кислород и озоновый слой.

· Жизнь поддерживается постоянным притоком энергии.

· Высокое разнообразие живых организмов.

Организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы усваивают энергию извне и превращают ее в вещество: фототрофы – энергия солнечного излучения, хемиотрофы – энергия химических реакций.

Гетеротрофные организмы способны к существованию, только использую энергию автотрофов (хищники, паразиты, редуценты).

Классификация гетеротрофов:

1.редуценты (питаются отмершей органикой);

2.консументы первого порядка (питаются редуцентами);

3. консументы второго порядка;

4 продуценты (питаются отмершими организмами).

Круговорот веществ в природе бывает большой (геологический) и малый (биологический).

Круговорот углерода занимает первостепенные позиции.

Круговорот кислорода имеет биогенное происхождение.

Круговорот фосфора влияет на токсичность.

Круговорот азота влияет на атмосферу.

Биотические факторы

Биотические факторы делятся на внутривидовые и межвидовые.

Внутривидовые отношения:

· Независимые – члены популяции живут отдельно, встречаются лишь для размножения.

· Совместные – «кучкуются» для выживания.

· Конкурентные – проявляются в территориальной агрессии, брачных турнирах, наличии ненужных органов (например, рога у оленя), возрастной иерархии, инфантицида (детоубийства), каннибализма.

Межвидовые отношения:

· Нейтрализм - организмы существуют независимо друг от друга и не конкурируют.

· Симбиоз: мутуализм – не могут существовать друг без друга; протокооперация – виды образуют сообщество, которое приносит больше пользы, чем если бы они вели раздельное существования; коменциализм – один вид извлекает пользу, но не наносит вред другому.

· Антибиоз (отрицательные отношения): хищничество, паразитизм (рабовладение амазонских муравьев, которые похищают личинки других муравьев, чтобы те выполняли «грязную работу»), конкуренция.

Абиотические факторы

Свет как экологический фактор является лимитирующим фактором, основным источником энергии, благодаря которому происходят важнейшие процессы живых организмов (фотосинтез и синтез важных биологических веществ).

Свет влияет на активность, влажность, распространение, температуру среды. Основным его источником является Солнце – раскаленный газовый шар. Водород превращается в гели и выделяется огромное количество энергии.

Свет распространяется в виде электромагнитных волн (важными характеристиками которых являются интенсивность и длина волны, продолжительность воздействия электромагнитного излучения). До Земли доходит только часть тепла (энергии), остальное тепло рассеивается или отражается.

Радиационный фон земли делится на прямую (параллельные лучи, не претерпевающие преломления и рассеивания) и рассеянную радиацию (лучи рассеиваются по пути к Земле). Рассеянная и прямая радиация образуют суммарную радиацию.

Ультрафиолетовое излучение имеет большую энергию и высокую активность. Самыми опасными являются волны размером 280 нм (они поглощаются озоновым слоем). Ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным действием (губительны для многих микроорганизмов), помогают осуществлять синтез витамина Д в организме.

По отношению к свету растения бывают светолюбивыми, тенелюбивыми, теневыносливыми (могут адаптироваться к условиям как света, так и тени – листья расположены мозаично).

Инфракрасное излучение ощущается в виде тепла и является менее опасным, не вызывает химических процессов в организме.

Фотопериод – продолжительность дня (изменяется в течение года). Уменьшение светового дня ведет к снижению интенсивности обмена веществ.

Биологические часы могут быть суточные, сезонные, годовые, индивидуальные. Суточные свойственны большинству живых организмов. Различают внешний и внутренний ритмы организма.

Внешние ритмы возникали под влиянием трех факторов: вращения Земли вокруг своей оси, вращения Луны вокруг земли, перемещения звезд по небосводу.

Большинство животных характеризуется наличием сезонных ритмов. Биологические циклы называются цирканными ритмами.