Лекция 1. Введение предмет и задачи дисциплины Экология
advertisement
ЛЕКЦИЯ №1. Введение: предмет и задачи дисциплины «Экология». Структура современной экологии. Основные понятия экологии. Структура современной экологии. Системность экологии. Энергетические процессы в экосистемах. Задачи и методы экологии. Законы Б. Коммонера. Структура экологии. (от греч. οικος — дом, жилище, хозяйство, обиталище, местообитание, родина и λόγος — понятие, учение, наука) — наука об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году в книге «Общая морфология организмов» («Generalle Morphologie der Organismen»). Становление экологии стало возможным после того, как были накоплены обширные сведения о многообразии живых организмов на Земле и особенностях их образа жизни в различных местообитаниях и возникло понимание, что строение, функционирование и развитие всех живых существ, их взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые необходимо изучать. Объектами экологии являются преимущественно системы выше уровня организмов, т. е. изучение организации и функционирования надорганизменных систем: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы в целом. Другими словами, главным объектом изучения в экологии являются экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Основные понятия экологии. Основным понятием и основой таксономической единицей в экологии является «экосистема». Этот термин введен в употребление А. Тенсли в 1935 г., т.е. более полувека спустя после выделения экологии как отрасли научных знаний (1866). Под экосистемой понимается любая система, состоящая из живых существ и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое. Близкий по содержанию смысл вкладывается в термин «биогеоценоз», введенный в литературу академиком В. Н. Сукачевым несколько позднее, чем «экосистема» - в 1942 г. Экосистемы (биогеоценозы) обычно включают два блока. Первый из них состоит из взаимосвязанных организмов разных видов и носит название «биоценоз» (термин введен немецким зоологом К. Мебиусом в 1877 г.). Второй блок составляет среда обитания, которую в данном случае называют «биотоп» или «экотоп». Каждый биоценоз состоит из множества видов, но виды входят в него не отдельными особями, а популяциями или их частями. Популяция - это относительно обособленная часть вида (состоит из особей одного вида), занимающая определенное пространство и способная к саморегулированию и поддерживанию оптимальной численности особей. Каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала), таким образом, распадается на популяции. Размеры их различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз – это сумма взаимосвязанных между собой и с условиями среды популяций разных видов. В экологии часто пользуются также термином «сообщество». Содержание совокупность этого термина неоднозначно. взаимосвязанных организмов Под ним разных понимается видов и (синоним биоценоза), и аналогичная совокупность только растительных (фитоценоз, растительное сообщество), животных (зооценоз) организмов или микробного населения (микробоценоз). Структура современной экологии. Экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования (рисунок 1). Среди них выделяют экологию человека, животных, растений и микроорганизмов, на уровне особи или сообщества, в воде, почве или атмосфере, в земных условиях или космических. Живые организмы обитают в условиях тропической, умеренной и полярной зон, а также в естественных, измененных или антропогенных системах, кроме того можно учитывать загрязненность или незагрязненность среды. Экология Теоретическая Прикладная Земная Человека Животных Клетки Водоёмов Космическая Растений Микроорганизмов Организма Сообщества Воздушной среды Суши Полярной зоны Умеренной зоны Девственных природных систем Тропиков Изменённых систем Незагрязнённых систем Антропогенных систем Загрязнённых систем Рис.1 Классификация экологии по объектам и средам исследования. Экология Фундаментальная делится экология на фундаментальную изучает наиболее и прикладную. общие экологические закономерности, а прикладная – использует полученные знания для обеспечения устойчивого развития общества. Отдельно выделяются разделы фундаментальной экологии, связанные с существованием и деятельностью человека: – экология человека – изучает человека как биологический вид, вступающий в разнообразные экологические взаимодействия; – социальная экология – изучает взаимодействие человеческого общества и окружающей среды; – глобальная экология – изучает наиболее крупномасштабные проблемы экологии человека и социальной экологии. Прикладная экология выделяет разделы: - охрана окружающей среды - система мер, направленная на сохранение, восстановление, улучшение природной среды, включая искусственно созданную среду (города, водохранилища, каналы и др.)., а также на обеспечение благоприятных и безопасных условий среды обитания и жизнедеятельности человека. - инженерная экология - прикладная дисциплина, представляющая собой систему научно обоснованных инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества окружающей среды в условиях растущего промышленного производства. Инженерная экология разрабатывает инженерные методы исследования экологических систем, технические методы и средства защиты человека и окружающей среды от воздействия антропологических факторов. - сельскохозяйственная экология – раздел экологии, исследующий аутэкологию сельскохозяйственных растений и животных и культурценоэкосистемы, в том числе плантации и сады. Очень важная отрасль экологии. - медицинская экология - это комплексная научная дисциплина, рассматривающая все аспекты воздействия окружающей среды, на здоровье населения с центром внимания на средовых заболеваниях. - экология города (населенных пунктов) (урбоэкология) - раздел экологии человека, рассматривающий город как единый сложно устроенный организм, который активно обменивается веществом и энергией с окружающими его природными и сельскохозяйственными территориальными комплексами и другими… … - экология катастроф. Экологическая катастрофа - необратимое изменение природных комплексов, связанное с массовой гибелью живых организмов. - промышленная экология - прикладная наука о взаимодействии промышленности (как отдельных предприятий, так и техносферы) и окружающей среды, и наоборот — влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов. - экологическое представляющее право - собой особое комплексное образование, совокупность правовых норм, отношения в сфере регулирующих общественные взаимодействия общества и природы. - экология административных районов и многие другие разделы. Основу экологии составляет биоэкология как раздел общей биологии. «Спасти человека – это, прежде всего, сохранить природу. И здесь только биологи могут привести необходимые аргументы, доказывающие правомерность высказанного тезиса». Биоэкология (как и любая наука) делится на общую и частную. В состав общей экологии входят разделы: 1. Аутэкология – изучает взаимодействие со средой обитания отдельных организмов определенных видов. 2. Экология популяций (демэкология) – изучает структуру популяций и ее изменение под воздействием экологических факторов. 3. Синэкология – изучает структуру и функционирование сообществ и экосистем. К общей биоэкологии относятся и другие разделы: – эволюционная экология – изучает экологические механизмы эволюционного преобразования популяций; – палеоэкология – изучает экологические связи вымерших групп организмов и сообществ; – морфологическая экология – изучает закономерности изменения строения органов и структур в зависимости от условий обитания; – физиологическая экология – изучает закономерности физиологических изменений, лежащих в основе адаптации организмов; – биохимическая экология – изучает молекулярные механизмы приспособительных преобразований в организмах в ответ на изменение среды; – математическая экология – на основании выявленных закономерностей разрабатывает математические модели, позволяющие прогнозировать состояние экосистем, а также управлять ими. Частная биоэкология изучает экологию отдельных таксономических групп, например: экология животных, экология млекопитающих, экология выхухоли; экология растений, экология опыления, экология сосны; экология водорослей; экология грибов и т. д. Гео-экология изучает экологию суши, пресных вод, моря, Крайнего Севера, высокогорий и др. Биогеоценология - учение о сообществах живых организмов, обитающих в определенных пространствах окружающей среды. Изучает закономерности организации различных биогеоценозов, их структуры и функционирования. Учение о биосфере – глобальная экология. Биоэкология тесно связана с ландшафтной экологией, например: – экологией водных ландшафтов (гидробиологией) – океанов, рек, озер, водохранилищ, каналов... – экологией наземных ландшафтов – лесов, степей, пустынь, высокогорий... Защита окружающей среды - совокупность научных, правовых и технических мероприятий, направленных на рациональное использование, воспроизводство и сохранение природных ресурсов в интересах людей, на обеспечение биологического равновесия в природе. Экологические знания должны служить основой рационального природопользования. На их основе базируется создание и развитие сети охраняемых территорий: заказников, заповедников и национальных парков, а также охрана отдельных памятников природы. Рациональное использование природных ресурсов является основой устойчивого развития человечества. Во второй половине ХХ века в связи с интенсивным воздействием человеческого общества на биосферу начинается экологический кризис, особенно обострившийся в последние десятилетия. Современная экология включает множество разделов и охватывает самые разнообразные стороны человеческой деятельности; происходит экологизация всего общества. Системность экологии. Экология как наука рассматривает системы, звенья и члены которых находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Из этого вытекает необходимость учета множества факторов при анализе тех или иных экологических явлений и тем более при планировании любых вмешательств в экосистемы. Такой подход, в свою очередь, невозможен без комплексного метода изучения, оценки и решения тех или иных экологических задач. По этим же причинам очевидна тесная связь экологии с другими науками, сведениями из которых необходимо не только располагать, но и уметь их грамотно использовать. К таким наукам относятся: биология, география, почвоведение, гидрология, химия, физика и другие отрасли знаний. Важно также уметь пользоваться необходимой информацией из различных отраслей хозяйства и свойственных им технологических процессов. Говоря о системных явлениях, важно познакомиться с видами систем, общими положениями теории систем. Обычно различают три вида систем: 1) изолированные, которые не обмениваются с соседними ни веществом, ни энергией, 2) закрытые, которые обмениваются с соседними энергией, но не веществом (например, космический корабль), и 3) открытые, которые обмениваются с соседними и веществом, и энергией. Практически все природные (экологические) системы относятся к типу открытых. Существование систем немыслимо без связей. Последние делят на прямые и обратные. Прямой называют такую связь, при которой один элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции. Примером такой связи может быть действие древесного яруса леса на случайно выросшее под его пологом травянистое растение или действие солнца на земные процессы. При обратной связи элемент В отвечает на действие элемента А. Обратные связи бывают положительными и отрицательными. И те и другие играют существенную роль в экологических процессах и явлениях. Положительная обратная связь ведет к усилению процесса в одном направлении. Пример ее - заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплотнение почвы обычно ведет к накоплению воды на ее поверхности. Это, в свою очередь, дает возможность поселяться здесь растениям - влагонакопителям, например сфагновым мхам, содержание воды в которых в 25-30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличение увлажнения - обеднение кислородом - замедление разложения растительных остатков -накопление торфа -дальнейшее усиление заболачивания. Отрицательная обратная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента А увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На них прежде всего базируется устойчивость и стабильность экосистем. Пример такой связи - взаимоотношение между хищником и его жертвой. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, например полевых мышей для лис, создает условия для размножения и увеличения численности последних. Они, в свою очередь, начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают ее численность. В целом численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определенных границах. Второй пример. В истории биосферы имели место явлении локального увеличения содержания углекислого газа в атмосфере, например, при извержении вулканов. За этим следует увеличение интенсивности фотосинтеза и связывание углекислоты в органическом веществе, а также более интенсивное поглощение ее океаном. Третий пример. В природе закономерны периодические повышения уровней почвенно-грунтовых вод. За этим следует увеличение их контакта с корневыми системами растений, повышение расходования на испарение растительностью (транспирацию) и возвращение уровней грунтовой воды в исходное состояние. Одно из отрицательных проявлений деятельности человека природе связано с нарушением этих связей, что может привести к разрушению экосистем или переходу их в другое состояние. Например, умеренное загрязнение водной среды органическими и биогенными (необходимыми для жизнедеятельности организмов) веществами обычно сопровождается интенсификацией деятельности организмов, потребляющих эти вещества, результатом чего является самоочищение водоемов. Перегрузка же среды загрязняющими веществами на определенном этапе ведет к угнетению или уничтожению организмов-санитаров, переводу установившихся обратных связей в прямые, переходу системы на другой уровень. В результате неизбежным становится прогрессирующее загрязнение, обеднение водной среды кислородом и превращение чистых озерных или текущих вод в системы болотного типа. Универсальное свойство экосистем их эмерджентность (англ. эмердженс - возникновение, появление нового), заключающееся в том, что свойства системы как целого не являются простой суммой свойств слагающих ее частей или элементов. Например, одно дерево, как и редкий древостой, не составляет леса, поскольку не создает определенной среды (почвенной, гидрологической, метеорологической и т. д.) и свойственных лесу взаимосвязей различных звеньев, обусловливающих новое качество. Недоучет эмерджентности может приводить к крупным просчетам при вмешательстве человека в жизнь экосистем или при конструировании систем для выполнения определенных целей. Например, сельскохозяйственные поля (агроценозы) имеют низкий коэффициент эмерджентности и поэтому характеризуются крайне низкой способностью саморегулирования и устойчивости. В них, вследствие бедности видового состава организмов, крайне незначительны взаимосвязи, велика вероятность интенсивного размножения отдельных нежелательных видов (сорняков, вредителей). Энергетические процессы в экосистемах. Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму началам термодинамики. В соответствии с ними энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую это первое начало термодинамики. При этом часть энергии при любых ее превращениях рассеивается (теряется) в виде тепла это второе начало термодинамики. Превращения энергии в экосистеме подчиняется законам термодинамики: в соответствии с первым законом (законом сохранения энергии) происходит переход энергии солнечного излучения (электромагнитной) в энергию химических связей, которая затем может быть превращена в работу и тепло (рисунок 2). В соответствии со вторым законом термодинамики, поток энергии в экосистеме характеризуется однонаправленностью: переходя с одного трофического уровня на другой, энергия постоянно теряется. Рис. 2. Законы термодинамики: А=Б+В – первый закон термодинамики; В < А – второй закон термодинамики. Мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (греч. эн - внутрь, тропе - превращение). Последнюю можно характеризовать и через степень упорядоченности системы. Так, живые организмы и нормально функционирующие экосистемы характеризуются высокой степенью упорядоченности слагающих их элементов. Они сохраняют (поддерживают) определенный уровень энергии и тем самым противостоят энтропии. Мертвый организм характеризуется максимальной неупорядоченностью элементов (структур), в результате чего приходит в равновесие с окружающей его средой (температура его тела выравнивается с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды). Это значит, что организм как система приходит в состояние полной неупорядоченности, максимальной энтропии. Показатель, противоположный энтропии, носит название негэнтропии. Чем выше организованность системы (упорядоченность), тем значительнее ее негэнтропия. Опасно любое вмешательство в систему, которое ведет к снижению ее негэнтропии, а следовательно, устойчивости и способности противостоять внешним возмущениям. Основным свойством нормально функционирующих природных экосистем является способность извлекать негэнтропию из внешней среды (солнечную энергию) и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность. Деятельность человека, если она превышает определенные пределы, ведет к снижению негэнтропии систем, а следовательно, уменьшает их способность поддерживать себя в устойчивом состоянии вплоть до перехода к полной неупорядоченности (максимальной энтропии) и гибели. Задачи и методы экологии. Задачи экологии меняются в зависимости от изучаемого уровня организации живой материи. Популяционная экология исследует закономерности динамики численности и структуры популяций, а также процессы взаимодействий (конкуренция, хищничество) между популяциями разных видов. В задачи экологии сообществ (биоценологии) входит изучение закономерностей организации различных сообществ, или биоценозов, их структуры и функционирования (круговорот веществ и трансформация энергии в цепях питания). Из множества определений предмета экологии вытекает и множество задач, стоящих перед современной экологией: – изучение структуры пространственно-временных объединений организмов (популяций, сообществ, экосистем, биосферы). – изучение круговорота веществ и потоков энергии в надорганизменных системах. – изучение закономерностей функционирования экосистем и биосферы в целом. – изучение реакции надорганизменных систем на воздействие разнообразных экологических факторов. – моделирование биологических явлений для экологического прогнозирования. – создание теоретической основы охраны природы. – научное обоснование производственных и социально-экономических программ. Главная же теоретическая и практическая задача экологии — раскрыть общие закономерности организации жизни и на этой основе разработать принципы рационального использования природных ресурсов в условиях все возрастающего влияния человека на биосферу. Задачи экологии как учебной дисциплины в техническом гораздо уже. В вузе процессе профессиональной деятельности будущий специалист инженер неизбежно будет влиять на окружающую среду и живущие в ней живые организмы. Следовательно, от того, насколько он понимает и владеет законами природы и ее структурой, будет зависеть устранение негативных последствий производства, в котором он работает. Таким образом, задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства или проектно-конструкторского предприятия могут быть следующие: 1) Оптимизация технологических, и конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде. 2) Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий на окружающую среду. 3) Своевременное выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде. 4) Создание систем переработки отходов промышленности. Методы экологии подразделяются на полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) и экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используют моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования. Для изучения и прогнозирования природных процессов широко используется также метод математического моделирования. Такие модели экосистем строятся на основе многочисленных сведений, накопленных в полевых и лабораторных условиях. При этом правильно построенные математические модели помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте. Однако сама по себе математическая модель не может служить абсолютным доказательством правильности той или иной гипотезы, но она служит одним из путей анализа реальности. Сочетание полевых и экспериментальных методов исследования позволяет экологу выяснить все аспекты взаимоотношений между живыми организмами и многочисленными факторами окружающей среды, что позволит не только восстановить динамическое равновесие природы, но и управлять экосистемами. Основные законы экологии Коммонера. Видный американский эколог Барри Коммонер в 1971 году сформулировал четырех принципа получившие название «основные законы экологии», которые являются фундаментальными принципами современной прикладной экологии и рационального природопользования. 1 закон: «Все связано со всем». Любое изменение, совершаемые человеком в природе, вызывает цепь последствий, как правило неблагоприятных. По сути дела, это одна из формулировок принципа единства Вселенной. Надежды на то, что какие-то наши действия, особенно в сфере современного производства, не вызовут серьезных последствий, если мы проведем ряд экозащитных мероприятий, во многом утопичны. Это способно лишь несколько успокоить ранимую психику современного обывателя, отодвигая в будущее более серьезные изменения в природе. Так мы удлиняем трубы наших ТЭЦ, считая, что при этом вредные вещества более равномерно рассеются в атмосфере и не приведут к серьезным отравлениям среди окрестного населения. И действительно, кислотные дожди, вызванные повышенной концентрацией в атмосфере соединений серы, могут пройти совсем в другом месте и даже в другой стране. Но нашим домом является вся планета. Рано или поздно мы столкнемся с ситуацией, когда длина трубы уже не будет играть существенной роли. 2 закон: «Все должно куда-то деваться». Любое загрязнение природы возвращается к человеку в виде "экологического бумеранга". Предыдущий пример является ярким подтверждением этому. Планета стала слишком тесной для нас. Она уже не справляется с силой антропогенного воздействия на нее. Любое наше вмешательство в природу возвращается к нам повышенными проблемами. На фоне этого рождаются различные “смелые” проекты утилизации наших отходов, особенно радиоактивных, в космосе, на других планетах, предлагают даже отправлять их на Солнце. К счастью у этих проектов имеется огромное количество оппонентов. Потому что второй закон Коммонера никто не отменял. Мы пока еще даже не представляем, какими могут конкретные механизмы “экологического бумеранга” в случае попытки “загрязнить Солнце”. Но лучше даже не пытаться. 3 закон: «Природа знает лучше». Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а на адаптацию к ней. Это одна из формулировок принципа оптимальности. В совокупности с принципом единства Вселенной он приводит к тому, что Вселенная в целом предстает как единый живой организм. То же можно сказать и о системах более низких иерархических уровней, таких как планета, биосфера, экосистема, многоклеточное существо и т.п. Любые попытки внести изменения в отлаженный организм природы, чреваты нарушением прямых и обратных связей, посредством которых реализуется оптимальность внутренней структуры данного организма. Деятельность человека только тогда будет оправдана, когда мотивация наших поступков будет определяться в первую очередь той ролью, для выполнения которой мы были созданы природой, когда потребности природы будут иметь для нас большее значение, чем личные нужды, когда мы будем в состоянии во многом безропотно ограничить себя во благо процветания планеты. 4 закон: «Ничего не дается даром». Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков. Вопрос об охране природы очень сложен. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно, даже если выполнены, казалось бы, все требования экологической чистоты. Хотя бы потому, что развитие экозащитных технологий требует высококачественных источников энергии, и высококачественные исполняемые законы. Даже если сама энергетика перестанет загрязнять атмосферу и гидросферу вредными веществами, все равно остается нерешенным вопрос теплового загрязнения. Согласно второму закону термодинамики, любая порция энергии, претерпев ряд превращений, рано или поздно перейдет в тепло. Пока еще мы не в силах состязаться с Солнцем по количеству поставляемой на Землю энергии, но наши силы растут. Мы горим желанием открыть новые источники энергии. Как правило, мы высвобождаем энергию, накопленную когда-то разными формами вещества. Это гораздо дешевле, чем улавливать рассеянную энергию Солнца, но напрямую ведет к нарушению теплового баланса планеты. Не случайно средняя температура в городах на 2-3 (а иногда и больше) градуса выше, чем за пределами города в той же местности. Рано или поздно этот “бумеранг” к нам вернется. Поэтому должен измениться сам подход к понятию экологической чистоты. Тем не менее, любые вложения средств в охрану природы должны приветствоваться. Под лежачий камень вода не течет. Пусть методом проб и ошибок, но мы должны найти способы гармоничного интегрирования своего производства с биосферой планеты. И на первый план в мотивации человека должно выйти не получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а гармоничность производства. Где определяющую роль будет играть не рост личного дохода разработчика или производителя, а чистота их совести, степень осознания их ответственности перед природой. Структура экологии В «Экологии» обычно выделяют несколько взаимосвязанных разделов, которые иногда рассматривают как отдельные дисциплины (табл. 1). Таблица 1 Структура «Экологии» Разделы экологии Их содержание Факториальная экология Учение о факторах среды и закономерностях их действия на организмы Экология организмов, или аутэкология Взаимодействие между отдельными организмами и факторами среды или средами жизни Взаимоотношение между организмами одного Популяционная экология, вида (в пределах популяций) и средой обитания. или демэкология Экологические закономерности существования популяций Взаимоотношения организмов разных видов (в Учение об экосистемах пределах биоценозов) и среды их обитания как (биогеоценозах), или единого целого. Экологические закономерности синэкология функционирования экосистем Роль живых организмов (живого вещества) и Учение о биосфере продуктов их жизнедеятельности в создании (глобальная экология) земной оболочки (атмосферы, гидросферы, литосферы), ее функционировании
