Лекция 4 Биологические основы Экологии окружающей средой.

Лекция 4
Биологические основы Экологии
Основные понятия и предмет исследования.
Экология - наука, изучающая отношения организмов с
окружающей средой.
«В идеале она стремиться раскрыть и познать всё многообразие
взаимосвязей между населяющими нашу планету животными,
растениями и средой их обитания. Естественно, эта наука далека от
решения такой задачи. К тому же существует сомнение, можно ли её
решить вообще» ( Ф. Дрё, 1976, Экология).
Термин « экология « впервые ввёл знаменитый немецкий учёный
Эрнст Геккель (1834-1919) в 1866 г. в своём основном труде «Всеобщая
морфология» , образовав от двух греческих слов «oicos») –дом, и
«logos»-наука, т.е. наука о местообитании.
Чисто экологические исследования начали появляться в начале
ХХ в.в., а в последние десятилетия получили громадный размах.
Огромное значение экологии поняли лишь недавно.
Долгое время человек нещадно эксплуатировал природу, считая,
что она неистощима и, что его действия только улучшают её. Это примитивное представление, распространённое среди малочисленных
народов, лишенных мощных средств воздействия на природу, а мы это
представление унаследовали.
Использование природных богатств человеком осуществлялось, к
сожалению, при полном незнании законов природы. Поэтому оно часто
приводило к тяжелым и непоправимым последствиям.
Для того, чтобы правильно строить взаимоотношения с природой,
человек должен знать её законы и не нарушать их, Отсюда внимание к
экологии.
Поскольку природная среда очень сложна, то приходится
выделить несколько её уровней, по принципу «от простого - к
сложному». В соответствии с этими уровнями экология делится на
несколько разделов.
Структура экологии
4-х мерная структура, соответствующая различным уровням
биологической организации.
I- организм
II-популяция
III-сообщество, ассоциация, экосистема
IV-совокупность экосистем
Соответственно в экологии выделяются:
1
аутэкология
популяционная экология - экология вида.
синэкология( sun-***) или факторная экология,
глобальная экология
АУТЭКОЛОГИЯ- (от англ. –aut-вне)- изучает взаимодействие
отдельных представителей одного, как бы « изолированного вида» с
окружающей средой.
Т.е. она изучает влияние совокупности экологических
факторов на один организм, или на один вид организмов, и ответные
реакции организма на действие этих факторов, как будто бы вокруг
других видов не существует. (Т.е. первоначально изучаются отдельные
особи вида, а затем особи в составе популяции таких особей, т.е. мы
будем иметь дело не с одиночкой, типа Робинзона Крузо, а члена
однородного общества. (Естественно, его окружающая среда
измениться, особи вступают во взаимоотношения с такими же особями
и начинают размножаться).
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
1. Абиотические - факторы неживой природы.
Могут быть физические (t, влажность, давление, свет…) и
химические (состав подземных вод, состав почвы, газовый состав
атмосферы и т.д.)
2. Биотические - факторы, обусловленные живой природой,
совокупность влияний, оказываемых на организм жизнедеятельностью
других организмов.
Непосредственно живое окружение организма составляет его
БИОТИЧЕСКУЮ среду.
Представители каждого вида способны жить только в
определенной биотической среде, где связи обеспечивают нормальные
условия жизни
3. Антропогенные факторы – связаны с деятельностью как
отдельного человека, так и общества в целом.
Популяционная экология
Популяционная экология изучает влияние экологических
факторов на популяцию (совокупность особей одного вида) в
течение ряда поколений, населяющих определенное пространство
объединенных взаимным скрещиванием (панмиксией), имеющих
сложившиеся внутренние и внешние пространственные и пищевые
связи.
Т е на каждую отдельную особь действуют абиотические факторы,
биотические, но в целом взаимодействия внутри популяции отличаются
2
от поведения отдельно взятых особей, тут появляются иные проблемы,
одни из наиболее важных – демографические, социальные и др.
Популяция – (от франц. population – население) – это
материальная форма существования вида. Каждый вид популяции
имеет присущие ему характеристики, как качественные, так и
количественные. Основные: численность и плотность, тесно связанные
с рождаемостью и смертностью, определяющие в конечном счете
баланс численности. В популяциях животных эти показатели зависят от
эмиграции и иммиграции (миграции). Миграции обеспечивают убыль и
пополнение
популяций
перемещения
в
пространстве.
Для
существования популяции большое значение имеет: возрастной состав,
продолжительность жизни, период достижения половой зрелости и
способность к размножению.
Каждому виду растительных и животных популяций присущи:
оптимальная плотность, отклонение от которой отрицательно
сказывается на жизнедеятельности отдельных особей и состояния
популяции в целом. Например, резкое увеличение численности
свойственно некоторым грызунам, насекомым и растениям.
Т о важнейшей задачей популяционной экологии является
изучение условий формирования популяций, их возрастной, половой
структуры др. показателей и свойств.
Синэкология
Синэкология (греч. sun – вместе) или биоценология – изучает
сообщества, ассоциации и популяции различных видов животных,
растений и видов организмов, образующих биоценоз (греч. bios –
жизнь, koinos – общий).
Биоценоз – это (организованная) группа популяций растений,
животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному
обитанию в пределах определенного объема пространства.
Биоценозы
представляют
собой
исторически
сложившееся
сообщество организмов и являются частью более общего природного
комплекса. Любой биоценоз занимает определенный участок
абиотической среды биотоп (от греч. topos – место). Биотоп – это
пространство с относительно однородными условиями, заселенное
определенным сообществом организмов.
Биогеоценоз (родоначальник направления В. Н. Сукачев) –
совокупность определенных абиотических (физических) компонентов
природных явлений (атмосферы, горной породы, растительного и
животного мира, микроорганизмов, почвы, гидрогеологических
условий, взаимодействующих между собой и имеющих определенный
тип обмена веществом и энергией в ограниченном объеме
пространства).
3
Биогеоценоз Складывается из: 1) фитоценоза – устойчивые
сообщества растительных организмов.
2) зооценоза – совокупность взаимосвязанных видов животных.
3)микробиоценоза – сообщества микроорганизмов.
4) почвенных условий (эдафотопов).
5) климотопов.(климатических условий)
6) геотопов (геологических условий).
Биогеоценоз представляет собой взаимодействие неорганических
неживых (косных) и живых (биотических) компонентов.
В современной литературе вместо термина « биогеоценоз»
используется понятие «экосистема».
Биоценоз и биотоп рассматриваются, как два элемента,
образующих более или менее устойчивую экологическую систему. Она
относительно стабильна во времени и открыта в термодинамическом
отношении.
Т.Е. ЭКОСИСТЕМА - взаимосвязанная единая функциональная
совокупность организмов и абиотической среды.
Биогеоценоз и экосистема - сходные понятия, но биогеоценоз
рассматривают, как систему, всегда имеющую определённые границы
(часто ограниченные границами фитоценоза), что конечно
относительно.
Например, конкретное болотные, лесные, луговые и т.д.
Экосистема - может охватывать пространство любых размеров(
безразмерная), более ёмкое понятие.
Например, это может быть муравейник, город, аквариум, планета,
даже Солнечная система и т.д.
Таким образом, мы подошли к понятию ГЛОБАЛЬНОЙ
ЭКОЛОГИИ.
ГЛОБАЛЬНАЯ
ЭКОЛОГИЯ
занимается
изучением
взаимодействий экосистем (биогеоценозов), образующих биосферу
Земли, или глобальную экосистему.
Экология наука будущего, и возможно, само существование
человека на нашей планете будет зависеть от её прогресса. Экология
может приносить пользу и в теоретическом и практическом
отношениях.
С её помощью можно не только предсказывать угрожающие нам
катастрофы, но, что гораздо более трудно, определять, какие меры
можно предпринять в тех случаях, когда беда уже пришла в результате
необдуманного воздействия на природу
4
Среда и условия существования организмов
Экологические факторы
1. Абиотические факторы( факторы неживой природы)
Абиотические факторы прежде всего изучаются в аутэкологии.
Организм, чтобы жить в тех или иных условиях должен иметь
вещества необходимые ему для роста и размножения. Основные
потребности у разных видов организмов и в разных условиях
различны.
В середине ХIХ веке немецкий учёный Ю.Либих показал, что
растения можно выращивать в искусственных средах, но при этом для
роста необходимо определённое кол-во химических элементов. Причем,
одних нужно много, других- мало. Но одни элементы не могут быть
заменены другими, Нехватка одного единственного элемента вызывает
остановку роста (т.е. меньше min). Это открытие Либих назвал законом
минимума, который играет важную роль в аутэкологии, и имеет более
общее значение.
Если
все
факторы
среды
благоприятны,
а
один
неблагоприятен, то этот фактор называется лимитирующим
(ограничивающим), и он приобретает решающее значение для
жизни и смерти рассматриваемого организма, а следовательно его
присутствии или отсутствии в данной среде. Этот закон
работает, прежде всего, для стационарного состояния системы.
Проведенная со времен Либиха огромная работа показала, что для
успешного проведения данной концепции на практике к ней надо
добавить два вспомогательных принципа. Первый – ограничительный:
закон Либиха строго применим только в условиях стационарного
состояния, т.е. когда приток энергии и веществ балансируется их
оттоком. Второй вспомогательный принцип касается взаимодействия
факторов.
Закон толерантности Шелфорда: «Лимитирующим фактором
процветания организма может быть как минимум, так и максимум
экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень
выносливости (толерантности) организма к данному фактору».
Любой фактор, находящийся в избытке или недостатке, ограничивает
рост и развитие организмов и популяций
Абиотический фактор переносится организмом в определенных
пределах.
Например t C
5
Численность популяции изменяется в зависимости от
температуры: 1 -зона смерти, 2 - пониженной жизнедеятельности, 3 оптимальный интервал.
Рис.1
Общий закон биологической стойкости ( по Ламотту)
Для одних организмов эти пределы очень узкие (стеноэки), другие
приспосабливаются к гораздо более изменчивым условиям (эвриэки).
Рис.2
Было
введено
понятие,
которое
характеризует
приспосабливаемость организмов к условиям окружающей среды.
Экологическая валентность организма представляет совой его
способность заселять разнообразные среды. У стэноэков она мала, у
эвриэков, наоборот, высока.
Среди абиотических факторов на первом месте по значимости
находятся те, которые имеют универсальное значение.
I- Климатические факторы
Климат делиться:
А) макроклимат( региональный, например Средиземноморский)
Б) мезоклимат (местный)- с разных сторон горы
В) микроклимат(экоклимат)- действующий на уровне среды
обитания организмов ( например, под камнем или рядом с ни будут
обитать разные насекомые)
Прежде всего следует выделить:
1.Температура
Наиболее важный для всех организмов фактор. Из-за свойств
протоплазмы все живые существа, в основном, способны жить между
0градС и 50градС. Но есть исключения, которые могут выносить
экстремальные t вне этих пределов, они обладают спец.
приспособлениями. Например, в Калифорнии рыба Cyprinodon
maculares населяет воды с t=52.
Бактерии и сине-зеленые водоросли обошли всех (Oscillaria)
населяют горячие источники с t= 85.С.
Некоторые живые организмы выдерживают отрицательные t (
например, клещ в Антарктиде ночью находится в анабиозе, днем
восстанавливает подвижность). Но есть такие, как и человек, которые
поддерживают постоянную t тела (млекопитающие, птицы,
позвоночные: пингвины, белые медведи, олени).
У растений есть свои способы приспосабливаться к изменяющейся
t.
Несколько правил по отношению к животным.
Правило Бергмана
6
В пределах вида или достаточно однородной группы видов
животное с более крупным размером тела встречается в более холодных
областях (ему легче поддерживать t=const). Здесь можно отметить
медведей, собак, тигров.
Правило Алена: придатки тела (уши, хвосты, лапы) тем короче, а
тело тем массивнее, чем холоднее климат.
Правила мехового покрова: чем холоднее климат, тем гуще мех.
Например: тигр индийский и дальневосточный (акклиматизация).
2. Влажность
Уступает t, но тоже очень важный фактор. На протяжении
большей части истории живой природы, органический мир был
представлен исключительно водными формами организмов. Завоевав
сушу, он не утратил зависимости от воды. Показательно, что
сухопутные животные вынуждены создавать в своем теле
искусственную водную среду для оплодотворения, а это приводит к
тому, что оно становиться внутренним.
3. Свет.
По экологической важности намного уступает t и влажности. Но
он абсолютно необходим живой природе, т к служит для нее
единственным источником энергии, запускает те или иные
биологические механизмы (солнцелюбивые и теплолюбивые растения.
Пример: обычно свет мы связываем непосредственно с солнцем, но близ
островов Полинезии существуют, употребляемые в пищу, морские
черви «пололо», которые появляются на поверхности океана в
огромных количествах в течение первой лунной четверти, в октябре –
ноябре, когда у них происходит кладка яиц. Удалось установить, что
пусковым механизмом для начала кладки служит появление ночного
лунного света.
4. Вторичные климатические факторы.
Атмосферное давление, ионизация воздуха и электрическое
поле,
электромагнитные
поля
космического
и
земного
происхождения, ветер (комары не могут летать, если ветер имеет
скорость более 12 км/ч).
II. Эдафические факторы
К эдафическим факторам относится вся совокупность физических
и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое
воздействие на живые организмы. Уступая по своему значению
климатическим факторам, они играют важную роль в жизни
организмов, которые тесно связаны с почвой (структура, состав,
влажность, засоление).
III. Факторы водной среды.
Физико-химические свойства воды:
7
а) высокая теплоемкость, инертность, стабильность среды;
б) лед легче воды;
в) наибольшая плотность при +4градС;
г) соленость.
Основные Биотические факторы взаимодействия
а) внутривидовые;
б) межвидовые.
Популяционная экология изучает внутривидовые биотические
факторы. Прежде всего, областью её интереса являются
демографические факторы:
а) изменение численности популяции во времени;
б) численность и плотность популяции;
в) соотношение полов: для эволюции популяции большое
значение имеет число самок;
г) продолжительность жизни (и не просто жизни, а периодов:
периоды
предрепродукционный,
репродукционный
и
пострепродукционный. (у овец 1, 7, 7 лет);
д) Плодовитость:
Низкая плодовитость отличает те виды, которые проявляют
большую заботу о потомстве (птицы, млекопитающие). Например,
рыбы откладывают миллионы икринок, насекомые откладывают
несколько сот яиц. Такая плодовитость компенсирует массовую гибель
зародышей. Коэффициент рождаемости для человека 3,64 на 100
жителей в год;
е) Смертность.
У различных видов смертность в зависимости от возраста
различна.
Рис. (человек, дрозофила, устрица, гидра);
ж) Этологические факторы ( поведения).
Это особенности поведения, которые способны оказывать влияние
на биотические факторы (у животных с развитой психикой) Например,
брачная церемония, групповой эффект, конкуренция.
Синэкология: изучает, прежде всего, межвидовые биотические
факторы.
Каждый вид обладает своей экологической нишей.
Экологическая
ниша
совокупность
экологических
характеристик вида: местообитание, пища, место для размножения,
сопротивление факторам среды, соотношение между конкурентными
или враждебными видами, т.е. все условия существования.
8
Правило: два вида, обитающие на одной и той же
территории, не могут иметь совершенно одинаковые экологические
ниши.
Пример. Во Франции несколько видов дятлов (едят насекомых,
живут в дуплах). Но они имеют разную специализацию.
По питанию: большой пестрый дятел добывает пищу в стволах
деревьев, средний- в крупных верхних ветвях, малый- в тонких
веточках.
Взаимодействие между видами, населяющими одну территорию
могут быть отрицательными, положительными и нейтральными.
Конкуренция: отрицательное воздействия, (например деревья в
лесу- растут вверх, форма листьев для улавливания света)
Положительное взаимодействие: когда оба или несколько видов
извлекают пользу из сожительства, такая кооперация называется
СИМБИОЗом.
Например, лишайники: гриб с водорослью.
Гриб защищает водоросль, а водоросль его кормит. Практически
невозможно эти виды культивировать отдельно. « Клубеньки « из
бактерий, фиксаторов азота на корнях бобовых и деревьев. Они
вырабатывают нитраты из азота воздуха, а растения- углеводы.
Симбиоз – характерная форма существования организмов в
биосфере,
распространенная
главным
образом
в
условиях
неблагоприятных для жизнедеятельности. Лучше всего это видно на
примере лишайников: если для земли, в целом, отношение числа видов
лишайников (16 тыс.) к числу самих растений (160 тыс.) составляет 0.1,
то для о. Явы – 0.06, Исландии – 1, а для Антарктида – 175.
Обрадуется симбиотрофный организм.
Например
ресничные
черви
Convoluta
Rosco
Bfensis,
встречающиеся в огромных кол-вах у берегов зап. Франции,
вылупившись из яйца заглатывают микроскопические зеленые
водоросли, которые, оставаясь живыми, проникают через стенки их
кишечника в полость тела. Из-за множества поглощенных водорослей
черви приобретают ярко-зеленую окраску. Водоросли, как и полагается
занимаются внутри фотосинтезом и снабжают своих хозяев пищей. В
результате ротовое отверстие становиться ненужным и отрофируется.
Учитывая интересы своих «кормильцев» (без фотосинтеза теперь не
проживешь) черви ведут активный образ жизни в воде, а на ночь
зарываются в песок. По существу, все высшие животные представляют
собой не организмы, а надорганизмы.
Эксплуатация: паразиты и хищничество.
9
Когда два вида связаны таким образом, то разрушительный
эффект незначителен, если оба вида развивались вместе в среде
стабильное долгое время; оба вида начинают вести такой образ жизни,
который обеспечивает длительное существование хозяина и жертвы.
Действие оказывается совершенно разрушительным, приводит к
полному исчезновению жертвы, если два вида стали контактировать
недавно или резко изменилась среда (человек этому способствует).
Отношение между видом и пищей
Например леминги и белая сова (изменение численности)
Изменение среды: например, закрепление дюн сосной. Дождевые
черви способствуют аэрации, проникновению воды, улучшает
плодородие. Состав 1 га пашни-300 000 червей9 масса 100 кг)
пропускает через себя массу земли в 100 раз больше, т.е. 10 т*га.
Типы взаимосвязей между популяциями, видами на одно
территории и в пространстве:
1) нейтрализм, при котором ассоциации популяций не
сказываются ни на одной из них.
2) взаимное конкурентное подавление, при котором популяции
подавляют друг друга.
3) аменсализм, взаимодействие, при котором одна популяция
подавляет другую, но сама не испытывает отрицательного влияния.
4) паразитизм. Хозяин – паразит (отбор не ведет).
5) хищничество, при котором одна популяция неблагоприятно
воздействует на другую, в результате прямого нападения, но, тем не
менее, зависит от другой.
6) комменсализм, при котором одна популяция извлекает пользу
из объединения, а другой это безразлично.
7) протокооперация, при которой две популяции получают
преимущество при объединении.
8)мутуализм, при котором связь популяций благоприятна для
роста и выживания обеих.
10