Тема1. Предмет, цели и методы экологии Экология – наука о взаимоотношениях живых организмов, условий среды их обитания и всех функциональных процессов, делающих среду пригодной для жизни. Термин был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. Слово образовано от греческого “oikos” - дом, “logos” – знание (экономика – однокоренное слово). В буквальном смысле экология – наука об оранизмах «у себя дома», наука, в которой особое внимание уделяется «совокупности или характеоу связей между организмами и окружающей их средой» (Одум, 1986). Экология – наука о взаимоотношениях организмов (популяций) между собой и с окружающей средой. (Проф. Л. В. Полищук, кафедра общей экологии МГУ) Употребление слова «экология» в русском языке Примеры: 1. «В крупных городах и промышленных регионах плохая экология» - промышленные предприятия и автомобильный транспорт – серьезные источники загрязнения воздуха, поверхностных вод, почвы, шумового загрязнения … 2. «Экологи провели акцию протеста в Баренцевом море» – Гринпис протестовал против добычи нефти на шельфе в Северном Ледовитом океане. 3. Название учебников и курсов лекций «Основы экологии», «Популяционная экология», «Экология антропогенных ландшафтов» и др. Три различных смысла слова «экология»: 1. состояние окружающей среды; 2. система общественных отношений в области охраны и использования окружающей среды; 3. научная дисциплина. Почему размылось понятие «экология»? • Человек (Homo sapiens) появился в ходе биологической эволюции и долгое время существовал в соответствии с экологическими закономерностями. • Развитие цивилизации (особенно на индустриальной стадии) вывело человека из многих экологических ограничений. • При этом человек превысил потребление ресурсов биосферы, что приводит к усилению ее деградации. • Экология рассматривается как способ гармонизации отношений человека и биосферы, что формирует к ней интерес у самых различных общественных групп. (Курс лекций зав. кафедрой общей экологии МГУ, проф. Д. Г. Замолодчикова) «… Это определение может нравиться или нет, но в самом существенном оно бесспорно: экология – это биологическая наука, изучающая надорганизменные системы. С другой стороны, в печати или в устной речи мы постоянно сталкиваемся со словосочетаниями типа «экология памятников», «экология языка», «экология культуры», даже «экология нашего двора». … Еще смешнее выглядят словосочетания «плохая экология» или «хорошая экология». Этак можно договориться до чего угодно. Скажем, в моем любимом городе Феодосии «плохая геометрия»; евклидовы законы там не соблюдаются, поскольку город расположен на подковообразном склоне.» (Е.А. Нинбург. Введение в общую экологию. М. 2005, с. 6) Объекты исследования экологии - биологические системы надорганизменного уровня. Уровни организации биологических систем: • • • • • 1. Биологическая молекула 2. Клетка 3. Ткань 4. Орган 5. Организм • 6. Популяция • Аутэкология • Популяционная экология • 7. Сообщества • Синэкология • Биоценология • 8. Экосистема • Биогеоценология • Экология экосистем Система • Система – совокупность элементов, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, образующих единое целое. • Элементы системы создают ее структуру, их взаимодействие обеспечивает функции (работу) системы. • Система обладает свойствами, не присущими составляющим его элементам, взятым в отдельности (эмерджентность). Разделы экологии Общая экология – отрасль науки об общих закономерностях взаимоотношений организмов и окружающей среды, характерных как для бактений, грибов и растений, так и для животных (включая человека как биологическое существо). Экология прикладная – разработка норм использования природных ресурсов и среды обитания, допустимых нагрузок на них, форм управления экосистемами. Экология прикладная базируется на системе законов, правил и принципов экологии и природопользования Экология человека • 1. Комплексная дисциплина, изучающая общие законы взаимоотношений биосферы и антропосистемы человечества, его групп (популяций) и индивидуумов, влияние природной среды на человека и группы людей. • 2. Экология личности и популяций человека, в том числе учение об этносах. • Э.ч. включает как социально-психологические и экономические отношения людей между собой , так и отношение людей к природе. Промышленная экология – научное направление, предметом изучения которого является отрицательное антропогенное воздействие хозяйственной деятельности на окружающую среду. Основные разделы: мониторинг, регулирование, контроль и управление на уровне отдельного производства и на территориальном уровне. Экология инженерная – раздел пром. экологии, связанный с разработкой и применением технологических и технических методов, регулирующих воздействие на окружающую среду – очистка сточных вод, удаление и переработка отходов и т.д. Объекты экологических исследований Необходимые термины: • Популяция – это группа особей одного вида, занимающая определенную территорию и обычно в той или иной степени изолированная от других сходных групп. • Сообщество – это популяции различных видов, существующих в одном и том же местообитании или на одной площади и взаимодействующих посредством трофических и пространственных взаимоотношений. • Сообщество и неживая среда функционируют совместно, образуя экологисескую систему, или экосистему. • Биом – крупная региональная или субконтинентальная биосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности, например биом лиственных лесов умеренного пояса. Экосистема (экологическая система) Впервые определение экосистемы как совокупности живых организмов с их местообитанием было дано Тэнсли в 1935 году. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз. • Биогеоценоз – однородная экологическая система (участок леса, луга…) – синоним понятия экосистема. • Биогеоценоз состоит из биотопа и биоценоза. Понятие биогеоценоза предложено В.Н. Сукачевым (1942). Экосистемы могут быть природные (естественные), формирующиеся под влиянием природных факторов, и антропогенные (искусственные), создаваемые человеком в процессе хозяйственной деятельности. Выделяют микроэкосистемы (например, ствол дерева, муравейник, аквариум), мезоэкосистемы (лес, пруд, город) и макроэкосистемы (океан, континент). Различные экосистемы вместе образуют глобальную экосистему – биосферу, включающую все живые организмы и всю физическую среду, с которой они взамодействуют. Биосфера – нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, “область существования живого вещества” (В.И. Вернадский); самая крупная экосистема Земли. Толщина биосферы немногим больше 20 км - организмы обитают на поверхности суши не выше 6 км над уровнем моря и не ниже 15 км в глубине океана. Основная масса живого вещества сконцентрирована в поверхностном слое 50-100 м. Биосфера включает как область распространения (абиотический компонент) живого вещества и живых существ, так и само это вещество (биотический компонент), которые находятся в тесном взаимодействии. • Биосфера возникла 3,5-5,5 млрд лет назад. • Биосфера является результатом развития живого вещества как планетарного явления, служащего “могучей биологической силой…, связанной с другим веществом биосферы…, биогенной миграцией атомов” (Вернадский В.И., 1965. – С. 59). Понятие ноосферы Еще в 20-е гг. XX в. В.И. Вернадский обратил внимание на мощное воздействие человека на окружающую среду и преобразование современной биосферы. Человечество как элемент биосферы, считал он, неизбежно придет к пониманию необходимости сохранения всего живого на Земле и охватит разумным управлением живую оболочку планеты, превратив ее в единую сферу — ноосферу (сферу разума). Ноосфера – “сфера разума”, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная деятельность человека становится главным определяющим фактором глобального развития. Это новое понятие Вернадский сформулировал в 1944 г. Он успел лишь в общих чертах наметить основы нового учения, но его слова и сейчас актуальны: «В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление». Не следует забывать, что “…он (человек), как и все живое , может мыслить и действовать в планетарном аспекте только в области жизни – в биосфере, в определенной земной оболочке, с которой он неразрывно связан и уйти из которой не может. Его существование есть ее функция” (Вернадский В.И.,1977. – с. 324). Профессор B.C. Голубев: «Можно лишь предположить: если бы идеи В.И. Вернадского о ноосфере последовательно развивались, то главная цивилизационная идея современности - устойчивое развитие, возможно, пришло бы на Запад из России, а не наоборот, и раньше, чем это в действительности произошло». Компоненты и процессы, обеспечивающие функционирование экосистемы Компоненты экосистемы Биотические Прокариоты: Археи Бактерии Эукариоты: Грибы Растения Животные • Абиотические Твердые 1) почвы и грунты, 2) детрит, 3) снег и лед Жидкости 1) воды резервуаров; 2) текущие воды; 3) воды почв и грунтов Газы 1) приземный слой атмосферы; 2)газовая среды почвы Энегрия Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных компонентов – сообщества, потока энергии и круговорота веществ. Поток энергии направлен в одну сторону; часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в концентрированную форму энергии органического вещества, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток). Элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, азот, фосфор и др.) и вода могут использоваться многократно. Подходы и методы экологии При проведении экологических исследований применяют один из нескольких основных подходов : • экосистемный подход, • изучение сообществ (синэкология), • популяционный подход (аутэкология), • анализ местообитаний, • эволюционный или исторический подходы. Экосистемный подход - в центре внимания эколога оказываются поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентами экосферы. Его интересуют функциональные связи (такие, как цепи питания) живых организмов между собой и с окружающей средой. Здесь находит приложение концепция гомеостаза (саморегуляции) экосистем, из которой становится понятным, что нарушение механизмов регуляции, например при загрязнении среды, может привести к биологическому дисбалансу. Изучение сообществ – в центре внимая биотические компоненты экосистемы. Синоним экологии сообществ – синэкология. Исследуют растения, животных и микроорганизмы, обитающие в различных биотических единицах (лес, луг, болото, озеро и т.п.) Упор делается на определение и описание видов и изучение факторов, ограничивающих их распространение. - один из аспектов - представление о сукцессиях и климаксовых сообществах, очень важное для решения вопросов рационального использования природных ресурсов. Развитие и смена экосистем Циклические перемены обусловлены периодическими изменениями в природе — суточными, сезонными и многолетними. Поступательные изменения - сукцессии - саморазвитие экосистемы в результате взаимодействия организмов друг с другом и с абиотической средой. В ходе сукцессии малоустойчивый биоценоз (сообщество организмов) сменяется более устойчивым. Пример сукцессии - зарастание озера: Озеро -------> Болото -------> Мокрый луг -------> Лес Популяционный подход – используются математические модели роста, увеличения и уменьшения численности тех или иных видов. • Построение моделей связано с рядом понятий – рождаемость, выживаемость и смертность. • Популяционная экология (аутэкология) обеспечивает теоретическую базу для понимания вспышек численности вредителей и паразитов, а также позволяет оценить критическую численность вида, необходимую для его выживания. Изучение местообитаний Местообитание – это участок среды определенного типа, где живет данный организм (пресноводное озеро, еловый лес или берег моря). Организмы определенного вида приспособлены к определенным физическим и химическим условиям местообитания. Каждый вид занимает в своем местообитании определенную экологическую нишу. Экологическая ниша – не только физическое пространство, где может быть обнаружен данный вид, но еще важнее, определенная его роль в сообществе (его питание и взаимоотношение в другими видами). Когда два вида занимают одну и ту же нишу, они конкурируют до тех пор, пока один из них не будет вытеснен. Эволюционный и исторический подходы Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на нашей планете, и позволяет понять основные закономерности, действовавшие в биосфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влиящим на большинство организмов и на физическую среду, стала деятельность человека. Объект исследования – ископаемые остатки, пыльца растений в датированных пластах торфа, льдах и др. Историческая экология занимается изменениями, связанными с развитием человеческой цивилизации и технологии, с их возрастающим влиянием на природу, и рассматривает период с неолита до наших дней (3000-4000 лет). • В настоящее время эволюционная экология и историческая экология - все более плодотворные области исследований, позволяющие выявлять долговременные экологические тенденции, установить которые при изучении только современных экосистем невозможно (изменение климата, расселение видов растений и животных).