Экология как наука, ее задачи и структура. Экологические факторы среды-4.04.14

Краткий теоретический материал

по дисциплине «Биология с основами экологии»

Для 1 курса факультета ветеринарной медицины

Экология как наука, ее задачи и структура. Экологические факторы среды-4.04.14

Цели и задачи изучения дисциплины.Быстрое усиление антропогенной нагрузки на природную среду привело к глобальному экологическому кризису, выход из которого возможен только в случае, если человек научится правильно определять допустимые пределы антропогенных воздействий на природу и оценивать вызванные ими количественные и качественные изменения природной среды. На основе этих знаний человечество может выработать комплекс мер, которые позволили бы ему не превышать эти допустимые пределы. Изучение этих вопросов и определило основные цели данной дисциплины.

Краткая история становления и развития экологии.Термин экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище, «логос» - учение, наука) пред­ложил в 1866 году крупный немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919). Как самостоятельная научная дисциплина экология выделилась в цикле биологических дисциплин в начале XX в. и всю первую половину столе­тия она развивалась как биологическая наука. В этот период экология понимается как наука об отношениях организмов или их групп как между собой, так и со средой их обитания, т.е. как наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Под экологией Э. Геккель понимал область исследований, связанных с изучением всей совокупности взаимоотношений животного мира с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Следовательно, в таком первоначальном понимании экология в первую очередь касалась царства животных, а растения и другие представители живой природы относились к среде обитания, или к окружающей их (животных) среде.

По мере накопления экологических знаний предмет экологии расширялся и, став самостоятельной биологической наукой, экология изучает организацию жизни на трех уровнях. На первом уровне исследуется взаимодействие отдельного организма с окружающей его средой (образ жизни, поведение, взаимодействие с отдельными элементами среды обитания и т.п.). Однако в реальных условиях ни один организм не существует в природе обособленно, т.е. вне связи с другими подобными себе особями того же вида. Известно, что организмы существуют в виде особых группировок (популяций и популяционных групп), обладающих качественно особыми реакциями на окружающую среду (например, изменениями численности группировки при смене условий питания и др.) в отличие от отдельных особей того же вида. Изучение этого вида экологических взаимоотношений относится ко второму уровню исследований в экологии. А третий уровень связан с рассмотрением еще более общих взаимоотношений, а именно: взаимоотношений организмов со всеми остальными компонентами окружающей среды, без изучения которых невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать его поведение в изменяющейся окружающей среде.

В процессе развития биологической экологии (биоэкологии) возникла необходимость классификации экологических знаний по отношению к крупным группам организмов и различным средам обитания. Поэтому стали выделять экологию животных, растений и микроорганизмов, а по средам обитания - экологию водоемов, суши и воздушной среды, экологию тропиков, умеренной и полярной зон. Перечисленные выше виды направлений экологической науки объединяют под единым названием общей экологии, предметом изучения которой являются живые (биотические) организмы, популяции, сообщества, взаимоотношения видов, абиотические компоненты окружающей среды.

Демографический «взрыв» и быстрый промышленный рост во многих странах после второй мировой войны привели к тому, что стали явно проявляться негативные последствия чрезмерного воздействия человека на окружающую его среду, обусловившие возникновение экологического кризиса, создающего реальную угрозу для существования человечества на планете. Наряду с экологическим кризисом, который постепенно приобретает планетарный (глобальный) характер, в последние десятилетия сформировались и другие глобальные проблемы, под которыми понимают природные, природно-антропогенные или чисто антропогенные явления, затрагивающие мир в целом. Процесс развития этих явлений называют глобализацией. К наиболее важным их них относятся проблема предотвращения ядерных конфликтов, демографическая, ресурсная, энергетическая и продовольственная проблемы, которые тесно взаимосвязаны и способствуют развитию экологического кризиса. Решение включает разработку процедур и механизмов, обеспечивающих сохранение и развитие человеческой цивилизации, что невозможно без использования междисциплинарных знаний о взаимодействии общества и природы, что и превратило современную экологию в комплексную междисциплинарную дисциплину.

Этот второй период становления экологии можно назвать интеграционным периодом,в течение которого сформировались новые направления экологических научных дисциплин, в том числе прикладная экология, экология человека и социальная экология. Прикладная экология- это комплексная междисциплинарная наука, включающая промышленную (инженерную), сельскохозяйственную, медицинскую, социальную и другие экологические дисциплины, взаимосвязанное использование которых направлено на обеспечение экологической безопасности человека и сохранение окружающей его природной среды. В рамках прикладной экологии изучаются междисциплинарные проблемы взаимодействия общества и природы, интенсивно развиваются экологические исследования, связанные с анализом факторов антропогенных воздействий на природную среду и изучением влияния загрязнения окружающей среды, а также комплексные исследования, направленные на выход человечества из сложившегося экологического кризиса.

Общие законы биоэкологии в полной мере справедливы и для человека как биологического вида. Поэтому в рамках экологии живот­ных возник раздел экологии человека, который впоследствии превратился в важный раздел современной экологии. Термин «экология че­ловека» был введен в 1921 г. американскими учеными Р. Парком и Э.Бюргессом. В настоящее время экология человека- это комплексная научная дисциплина, связанная с изучением природных, экономи­ческих, социальных, личностных закономерностей взаимоотношений человека и окружающей его среды и направленная на разработку стратегии и комплекса мер по обеспечению экологической безопасности человека и его разнообразных потребностей, (культурные, личностные, духовно-нравственные и др.). В связи с этим в экологии человека выделяются экология человеческой личности и экология человеческих популяций, в том числе и экология этносов. Этнос (по Н.Ф. Реймерсу) - это исторически сложившаяся, целостная и устойчивая общность людей, характеризующаяся определенными особенностями физического и психического склада, культурно-исторического развития и отношений природной средой.

Окружающая среда- совокупность объектов окружающего человека мира, оказывающих существенное влияние на обеспечение жизнедеятельности и удовлетворение его разнообразных (биологических, культурных, экономических, личностных, социальных, коммуника­ционных и др.) потребностей.

Окружающая среда как сложная система состоит (по Н.Ф. Реймерсу) из четырех неразрывно взаимосвязанных компонентов-подсистем: а) собственно природной среды, б) порожденной агротехникой среды, в) искусственной среды и г) социальной среды. Каждая подсистема ок­ружающей среды отвечает за обеспечение определенных потребностей человека и обусловливает качество жизни и безопасность его жизнедеятельности. Собственно природная среда, или окружающая при­родная среда,- составная часть окружающей человека среды, вклю­чающая объекты живой и неживой природы, которые оказывают суще­ственное влияние на жизнедеятельность и удовлетворение ряда важных потребностей человека (биологических, культурных и др.).

В экологической литературе встречается термин среда обитания под которой обычно понимают ту часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

На нашей планете организмы освоили четыре основные среды обитания, кардинально отличающиеся по специфике условий. Водная среда была первой, в которой возникла жизнь. Затем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву. Четвертой специфической средой стали сами живые организмы, каждый из которых представляет собой целый мир для населяющих его паразитов. Поэтому используемое в биологическом смысле понятие среды обитания следует рассматривать как синоним окружающей природной среды, однако в общем смысле это понятие должно включать и объекты других составных частей окружающей среды, в частности, социальной среды.

Социальная экология рассматривает взаимоотношения общества и природы и разрабатывает социальные аспекты рационального приро­допользования. В связи с этим важное значение приобретает упомянутая выше компонент-подсистема окружающей среды - социальная среда.

Связь экологии с другими дисциплинами.Будучи по происхождению биологической наукой, экология в настоящее время превратилась в комплексную междисциплинарную науку, включающую наряду с биологическими также и социально-экономические, географические, духовно-нравственные, культурно-эстетические знания и призванную сыграть важную роль в формировании нового, экологически ориенти­рованного мировоззрения современного человека. В связи с этим со­временные экологические знания неразрывно связаны с другими областями научного знания.

Ранее неоднократно подчеркивалось, что экология возникла как раздел биологии. Действительно, 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, в частности, знания из морфологии (учение о строении организмов), включаю­щей анатомию, эмбриологию, гистологию, цитологию. Взаимодействия организмов с химическими компонентами окружающей среды изучаются в физиологии и биохимии, а внешние реакции являются предметом этологии - науки о поведении. Так как перечисленные здесь знания относятся ко всем крупным группам организмов - животным, (включая человека), растениям и микроорганизмам, то они входят в качестве составных частей в антропологию, зоологию, ботанику, микробиологию и др.

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. Это проявилось, в частности, в формировании различных раз­делов общей экологии - экологии тропиков, экологии умеренной и поляр­ной зон и др. При организации природопользования необходимо учиты­вать географические особенности и различия реакций разных природ­ных систем (водных и наземных) на антропогенные воздействия. По­этому экология тесно связана с географией, в рамках которой возник­ли и самостоятельно развиваются такие области, как ботаническая, зоо­логическая, медицинская и другие географии.

На стыке экологии и географии сформировался и быстро разви­вается важный раздел экологии - географическая экология, называемый также геоэкологией или ландшафтной экологией. Здесь будет уместно напомнить, что ландшафтом называют природный географический ком­плекс, в котором все основные компоненты (воды, почвы, рельеф, климат, растительный и животный мир), взаимодействуя друг с другом, об­разуют однородную по свойствам целостную систему. Задачи природопользования вызвали в последнее время необходимость самостоятельного развития геоэкологии, которая в современном виде включает и себя и конкретные знания геологии, геохимии, гидрологии и др.

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, рассматриваемых обыч­но как процессы круговоротов вещества и 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.

Как результат активного использования человеком природных ре­сурсов возник специфический вид круговоротов вещества - антропо­генный круговорот, называемый ресурсным циклом, который является составной частью естественных биогеохимических циклов. Поэтому в химической науке к настоящему времени 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.

Общеизвестно, что в результате интенсивной деятельности чело­века на Земле значительно ухудшилось качество окружающей среды, что означает несоответствие условий среды обитания физиологичес­ким требованиям организма. Организм реагирует на это различными заболеваниями, выявление и лечение которых - уже задача медицины. Медицинская наука и ее отрасли - санитария и гигиена - исследу­ют последствия химического, биологического и физического (в особен­ности, радиационного) загрязнения окружающей среды в результате производственной деятельности людей. Одна из основных задач этих исследований - определение норм радиационной безопасности лю­дей в условиях радиационных излучений, что является предметом радиологии. Важная группа задач связана с определением величин пре­дельно допустимых концентраций различных веществ, при которых при­сутствие этих веществ в воде, почве, воздухе или в продуктах питания может рассматриваться как относительно безвредное для человека и других организмов. Этим занимается токсикология и ее раздел - экотоксикология, ориентированная на разработку нормативов экологической безопасности природной среды в условиях химического загрязнения. Разработка мер борьбы с распространением инфекционных заболева­ний составляет предмет эпидемиологии.

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, корреля­ционного, факторного, кластерного и других видов анализа. Получение количественных оценок имеет конечной целью выявление тенденций в изменениях изучаемых процессов (биологических, биохимических и др.), которые в дальнейшем могут быть основой для прогнозирования состояний, изменений различных процессов и их возможных послед­ствий. Результаты таких исследований с помощью математических ме­тодов могут быть представлены в формализованном виде (например, аппроксимации эмпирических графических зависимостей, уравнения регрессии и др.), что может составить основу для прогнозирования изу­чаемых процессов.

В настоящее время широкое распространение в экологических исследованиях получили методы математического моделирования - аналитические, имитационные, эмпирико-статистические и др. Эти ме­тоды, и особенно имитационное моделирование, находят широкое при­менение в экологическом прогнозировании с использованием компьютер­ной техники и информационных технологий.

Как показывает международный опыт, качество окружающей сре­ды в любом государстве соответствует его экономическому состоянию. В последнее время стало очевидно, что качество окружающей среды невозможно поддерживать на приемлемом для безопасности жизнеде­ятельности человека уровне, если кардинально не будет изменена стра­тегия природопользования. Сделать использование природных ресур­сов экономным и не загрязняющим среду призвана новая отрасль эко­номической науки - экономика природопользования.

Основные разделы экологии.В соответствии с изучаемым в экологии уровнем организации живого выделяются такие разделы, как аутэкология, синэкология, экология популяций.

Аут(о)экология- раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма со средой обитания.

Экология популяций (демэкология)- раздел экологии, который изучает естественные группировки особей одного вида, т.е. популяций (условия, при которых форми­руются популяции, внутрипопуляционные группировки и их взаимоотношения, организацию (структуру), динамику численности популяции).

Синэкология - раздел экологии, изучающий сообщества растений, животных, микроорганизмов и их отношения со средой обитания.

Основные законы экологии. Как любая наука экология выявляет закономерности протекания изучаемых процессов и формулирует их в виде кратких логических и проверенных практикой положений - законов.

Рассмотрим ряд основных законов экологии, всего их установлено около 250 (Реймерс, 1994) законов, закономерностей, правил, принципов.

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.

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.

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

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

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.

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; поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (максимум 0,35%) говорить о "круговороте энергии" нельзя; существует лишь круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии.

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.

Принцип Линдемана (или закон 10%): при переходе с трофического уровня экологической пирамиды на каждый последующий уровень в трофической цепи передается в среднем около 10% энергии без каких-либо неблагоприятных последствий для экосистемы (здесь имеется в виду часть энергии, поступающей с пищей, которая используется организмом для построения органического вещества своего собственного тела).

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.

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

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.

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.

"Законы" экологии Б.Коммонера:1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться(ничто не исчезает бесследно); 3) природа "знает" лучше; 4) ничто не дается даром.