Тема 1: Структура современной экологии.
Компьютерные науки
Специальность:
Информационные управляющие системы и технологии
Одесса 2008
Конспект лекций "Основы экологии" по дисциплине "Основы экологии" подготовлен доцентом кафедры «Безопасность жизнедеятельности, экология и химия» Олейником Владимиром Николаевичем и ассистентом той же кафедры Савчук Евгенией Викторовной.
Конспект лекций "Основы экологии" по дисциплине "Основы экологии" утверждён на заседании кафедры «Безопасность жизнедеятельности, экология и химия" ОНМУ " 24 " июня 2008 года (протокол № 6).
СОДЕРЖАНИЕ
| Тема 1: Структура современной экологии. | |
| Тема 2: Основные экологические понятия и термины. | |
| Тема 3: Учение В.И.Вернадского о биосфере. Биогеохимические циклы. | |
| Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии. | |
| Тема 5: Антропогенный фактор в биосфере. Основы социоэкологии. | |
| Тема 6: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия. | |
| Тема 7: Загрязнение водных ресурсов и его последствия. | |
| Литература |
Компьютерные науки
Специальность:
Информационные управляющие системы и технологии
Одесса 2008
Конспект лекций "Основы экологии" по дисциплине "Основы экологии" подготовлен доцентом кафедры «Безопасность жизнедеятельности, экология и химия» Олейником Владимиром Николаевичем и ассистентом той же кафедры Савчук Евгенией Викторовной.
Конспект лекций "Основы экологии" по дисциплине "Основы экологии" утверждён на заседании кафедры «Безопасность жизнедеятельности, экология и химия" ОНМУ " 24 " июня 2008 года (протокол № 6).
СОДЕРЖАНИЕ
| Тема 1: Структура современной экологии. | |
| Тема 2: Основные экологические понятия и термины. | |
| Тема 3: Учение В.И.Вернадского о биосфере. Биогеохимические циклы. | |
| Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии. | |
| Тема 5: Антропогенный фактор в биосфере. Основы социоэкологии. | |
| Тема 6: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия. | |
| Тема 7: Загрязнение водных ресурсов и его последствия. | |
| Литература |
Тема 1: Структура современной 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. 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 ХХІ 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: теоретическая и практическая экология. Теоретическая включает подраздел – экология живых организмов (подразделы: экология человека, экология микромира, экология растений , экология животных).
Практическая экология объединяет три раздела:
· наука об охране и рациональном использовании природных ресурсов;
· наука о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду;
· наука о техногенных факторах влияния на окружающую среду.
Первым возник раздел "Экология живых организмов", который многие исследователи называют биоэкологией. Но к известным классическим разделам (согласно идеям Ю. Одума, Р. Дажо, Н. Реймерса, И. Дедю и др.) добавлены новые биоэкологические направления: биоэкомониторинг, теория заповедного дела, теория искусственных экосистем, основы биоиндикации, экотоксикология и др.
Раздел "Наука об охране и рациональном использовании природных ресурсов" 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) и 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 "Наука о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду" (социоэкология) объединяет такие важные новые подразделы экологической науки, как экологическое образование, экологическое право, урбоэкология, экология народонаселения, экологический менеджмент, экологический маркетинг, национальная и международная экополитика.
Основными структурными элементами раздела "Наука о техногенных факторах влияния на окружающую среду" (техноэкология) являются экология энергетики (подразделы: экология АЭС, ТЭС, ГЭС, нетрадиционных источников энергии (солнечная, геотрмальная, ветровая, биоэнергетика, энергетика моря)), 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.
Тема 2: Основные экологические понятия и термины.
Основной (элементарной) функциональной единицей биосферы является 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) и макроэкосистемы (континент, океан). Глобальной экосистемой является биосфера нашей планеты. Понятие «экосистема» более общее, чем «биогеоценоз», они тождественны лишь на уровне растительного сообщества и принципиально отличаются выше и ниже этого уровня.
Биогеоценоз состоит из таких компонентов, как биотоп и биоценоз. Биотоп – однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом (т.е. место обитания вида, организма), а 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) их видовой или популяционный 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 – 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).
Экологические факторы объединены 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 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.