Основной закон экологии: развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы

Раздел №1. Основные понятия и законы экологии

ПОДПИСЬ СТУДЕНТА

Тезисы лекций №1, 2 и 3.Тема 1. Предмет, основные понятия и разделы экологии. Тема 2.Основные законы общей экологии.Тема 3.Развитие учения о биосфере В.И.Вернадского

В 1866 г. немецкий биолог Эрнест Геккель обозначил термином «экология» новый раздел биологии, который переводят буквально как «наука о доме», так как он составлен из греческих слов «oikos – дом» и «logos – учение». С 1960-х годов 20 века экологические проблемы приобрели глобальный характер.

Современная экология определила более 60-ти законов, правил и принципов, часто равнозначных по своему статусу.

Экология ─ раздел биологии, наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой (далее ОС). Объектами экологии выступают отдельные особи, популяции организмов, виды, экосистемы, биосфера в целом. Предмет изучения — влияние на организмы среды их обитания (в целом и ее компонентов) и наоборот живых организмов на ОС.

В настоящее время наряду с указанной выше дисциплиной, к-рую также называют «общая экология», «биоэкология», сформировались дисциплины, понятия и направления деятельности такие как «экология человека», «экологическое право», «экологическая политика», «социальная экология», «экологическая химия», «физическая экология», «инженерная экология», «промышленная экология», «прикладная экология», «экологическая экспертиза», «экологическая сертификация»,«экологический аудит», «экологическое страхование», «бытовая экология», «экологическая архитектура», «экологический туризм», «видео-экология» и т.д.

Предлагаемый автором лекций вариант: «экология ─ учение о качестве условий существования и деятельности организмов, в том числе комфортных» обосновывает использование в литературе таких понятий как «экология души», «экология творчества», «экология красоты», «экология учебного процесса» и др.

Термин «экология» популярен при формировании брендов, рекламе товаров и услуг. Расхожими стали такие характеристики как «экологически чистый продукт», «экологически чистая технология», «экологически чистое производство» и др.

Основные понятия экологии: Согласно экологии живой мир не простая совокупность существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимодействий. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой.

Экологическая система (или биогеоценоз) ─ совокупность сообщества и среды обитания. Биота (биотич. среда) ─ все живое, окружающее организм в среде обитания.

Биотические факторы ─ совокупность факторов жизнедеятельности одних организмов, влияющих на жизнедеятельность других.

Биоэкология имеет разделы 1) аутэкология исследует взаимодействие отдельных организмов и видов со средой, 2) синэкология изучает сообщество. 2) разделение по типам сред, или местообитаний: экология пресных вод, экология моря, экология суши, экология экология океана. 3) разделение на таксономические ветви — экология растений; экология насекомых, экология позвоночных и т.д. вплоть до экологии человека.

Популяция ─ группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область.

Сообщества или биоценозы ─ совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания.

Экологическая ниша ─ совокупность условий, необходимых для существования популяции.

В составе экосистемы выделяют 3 неживых и 3 живых компонента: 1.1) неорганич. вещества (азот, СО₂, вода и др.), включающиеся в природные кругообороты; 1.2) органич. соединения (белки, углеводы и т.д.); 1.3) климатич. режим (температура, свет, влажность и др. физические факторы); 2.1) продуценты (автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, создающие пищу из простых неорганич. веществ); 2.2) макроконсументы — гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы; 2.3) микроконсументы, или редуценты, — гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органич. вещества, способные служить источниками энергии, быть ингибиторами (замедлителями) или стимуляторами для др. биотических компонентов экосистемы.

Интенсивность метаболизма (обмен веществ с окружающей средой) в экосистеме и его относительная стабильность определяют в значительной мере поток солнечной энергии и веществ.

Отдельные организмы не только приспособлены к физической cреде, но и благодаря совместным действием в рамках экосистемы приспосабливают геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Из простых веществ, содержащихся в море, в результате деятельности животных (кораллов и др.) и растений построены целые острова.

Состав атмосферы наряду с природными явлениями (извержения вулканов и т.п.) также регулируется организмами.

В создании кислорода атмосферы и органических веществ главную роль играет фотосинтез, протекающий по схеме:

6 СО₂ + 6Н₂О + (Солнечная энергия, хлорофилл) à C₆Н₁₂О₆ (глюкоза) + 6 О₂

Продукты фотосинтеза ─ углеводы (глюкоза), аминокислоты, белки и др. жизненно важные соединения.

Урожай, получаемый человеком, составляет 1 % чистой или 0,5% общей первичной продукции биосферы, если учитывать только потребление пищи человеком. Вместе с домашними животными это 6% чистой продукции биосферы или 12% чистой продукции суши.

З акон убывающей отдачи А. Тюрго—Т. Мальтуса: «Повышение удельного вложения энергии в агросистему не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности (урожайности)». Пример: Энергия, расходуемая человеком для увеличения урожая, называется добавочной энергией. Индустриализованное сельское хозяйство (например, в Японии) может дать в 4 раза более высокий урожай с га, чем сельское хозяйство, в к-ром всю работу выполняют люди и домашние животные (как в Индии), но оно требует в 10 раз больше ресурсов и энергии»

Замкнутость производственных циклов по энергетически-энтропийному параметру теоретически невозможна, поскольку энергетические процессы согласно второму началу термодинамики сопровождают деградация энергии и повышение энтропии природной среды.

В отличие от энергии, к-рая однажды использованная организмом превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним природных элементов около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: С, Н, О, N. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется opганизмами при дыхании и в процессах горения и окисления в технике и быту. Азот извлекают из атмосферы азотфиксирующие бактерии, другие бактерии возвращают азот в атмосферу.

З акон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере действует на всех этапах ее развития. Правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота ─ в процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимич. круговорота.

Самоочищение ОС — способность геосистем устранять загрязняющее действие привнесенных веществ или энергии и восстанавливать после загрязнения свои первичные свойства благодаря природным процессам разложения, сорбции, растворения или разбавления, выноса за пределы ландшафта и др. Самоочищение ОС зависит от скорости и характера природных химических и биохимических превращений веществ, их переноса и др. С падением интенсивности круговорота веществ и преобладания процессов их накопления самоочищение ОС ослабевает и может практически отсутствовать.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в к-рых участвуют все составные части экосистем.

Закон минимума ( химик Ю. Либих,1840 г.): «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». Впоследствии к питательным веществам добавили ряд др. факторов, например температуру.

Закон толерантности: «отсутствие или невозможность развития экосистемы определяют не только недостаток, но и избыток любого из факторов (тепла, света, воды)». (Суть отражает рис.1). Жизнь организмов определяют как экологический минимум, так и максимум. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в к-рых организм нормально реагирует на влияние среды

Рис.1.Интерпретация закона толерантности на примере воздействия на организм концентрации

некоего вещества как экологич. фактора (Николайкин Н.И. Экология, стр.80).

Концепция лимитирующих факторов. Важные экологические факторы - свет, температура и вода (осадки), а в море — свет, температура и соленость и др. Факторы могут быть лимитирующими и наоборот благоприятно влияющими, зависящими друг от друга и действующими согласованно.

Согласно закону минимума Либиха лимитирующее воздействие оказывают жизненно важные химические элементы, присутствующие в среде в небольших и непостоянных количествах. Их называют микроэлементами, и к ним относят Fe, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V,Co, J, Na. Многие микроэлементы действуют как катализаторы.

P,K,Ca,S,Mg, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, называют макроэлементами.

Важный лимитирующий фактор ─ загрязнение природной среды веществами, которых в ней либо не было (металлы, новые синтезированные химические вещества) и к-рые не разлагаются вовсе, либо существующие в биосфере (например, СО₂, тепло, вибрация, шум и др.), но вносимые в чрезмерных объемах, не дающих возможности переработать их естественным способом. Загрязнение увеличивается из-за роста населения, его потребностей и использования некачественных технологий.

Цена загрязнения — потеря здоровья, затраты на его восстановление, упущенные возможности из-за снижения (потери) трудоспособности, потеря естественных благ – здоровой земли, воздуха, воды и т.п.

Преодоление лимитирующих факторов требует огромных затрат вещества и энергии. Например, для удвоения урожая при современных технологиях необходимо десятикратное увеличение количества удобрений, ядохимикатов и мощностей (животных или машин).

К лимитирующим факторам относят и численность популяции ─ как «недонаселенность», так и перенаселенность могут оказывать лимитирующее влияние.

Закон конкурентного исключения: Два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго. В сходных условиях победить может каждый. Для победы важна скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции ведет к его оттеснению и необходимости приспособления к более трудным условиям и факторам.

В применении к человечеству можно говорить об экологическом соперничестве между странами и даже экологических. войнах или войнах, обусловленных экологическими причинами (прогнозы о войнах за чистую воду).

С укцессия ─ последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе. Сукцессия - результат изменения физической среды под действием сообщества.

Популяции, модифицируя ОС, создают условия, благоприятные для др. популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами (живыми и неорганическими компонентами, факторами).

Сукцессия состоит из стадий роста, стабилизации и климакса. Стадии различают по критерию продуктивности: на 1-ой стадии роста продукция растет до максимума (растущая экосистема), на 2-ой стадии стабилизации продукция остается постоянной (зрелая экосистема), на 3-ей стадии климакса продукция уменьшается до нуля по мере деградации системы.

Обратная зависимость между энтропией и информацией, а также факт развития экосистем в направлении повышения их устойчивости за счет увеличения разнообразия является следствием закона биологического разнообразия. Известно около 2 млн видов живых организмов. До возникновения науки экологии считали, что эволюция ведет к замене одних менее сложных видов другими, вплоть до человека как венца природы. Менее сложные виды, дав дорогу более сложным, становятся не нужны. Экология разрушила этот удобный для человека миф и показала, что опасно уменьшать многообразие природы (как это делает современный человек).

2010 год ООН объявлен как сохранения биологического разнообразия!!!

Одно- и двухвидовые сообщества весьма нестабильны из-за возможности больших колебаний плотности популяций. Это обстоятельство определяет эволюцию экосистемы к зрелому состоянию. На зрелой стадии увеличивается регуляция по типу обратной связи, направленной на поддержание стабильности системы.

Высокая продуктивность дает низкую надежность — это еще один вариант формулировки основного закона экологии, из к-рой вытекает правило: «Оптимальная эффективность всегда меньше максимальной». Разнообразие непосредственно связано с устойчивостью.

Стратегия экосистем — «наибольшая защита», стратегия человека — «максимум продукции».

Общество стремится получить с осваиваемой территории максимальный урожай и для осуществления своей цели создает искусственные экосистемы, а также замедляет развитие экосистем на ранних стадиях сукцессии, на к-рых можно собрать максимальный урожай. Сами же экосистемы стремятся развиваться в направлении достижения максимальной стабильности.

Повышение человеком эффективности экосистемы повышает затраты на ее поддержание вплоть до какого-то предела, когда дальнейшее повышение эффективности невыгодно из-за слишком большого роста затрат. Как показывает история преобразовательной деятельности человека и науки экологии, все крайние варианты, как правиле не являются лучшими.

Для пастбищ негативны и «перевыпас» (приводивший, как считают ученые, к гибели цивилизаций), и «недовыпас» скота, поскольку при отсутствии прямого потребления живых растений детрит, может накапливаться быстрее, чем идет его разложение микроорганизмами, и это замедляет круговорот минеральных веществ. Детрит ─ образующиеся из отмерших растений и животных и их выделений мелкие частицы органических или частично минерализованных веществ, взвешенные в воде или осевшие на дно.

Учеными помимо указанных выше разработано еще более 50 др. экологич. законов, принципов и правил. Укажем из-за ограниченности времени только нек-рые из них.

Закон эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей.

Закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, существовавшему в ряду его предков.

Закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип сохранения упорядоченности (И.Пригожин): в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля.

Принцип Ле Шателье — Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Принцип экономии энергии (Л.Онзагер): при вероятности развития процесса в нек-ром множестве направлений, допускаемых термодинамикой, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации: наилучшие шансы на самосохранение имеет система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Закон физико-химического единства живого вещества В.И. Вернадского: всё живое вещество Земли физико-химически едино, что не исключает биогеохимических различий.

Правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существования вида птиц — 2 млн лет, вида млекопитающих 800 тыс. лет. Число вымерших видов птиц и млекопитающих в сравнении с их количеством велико.

Аксиома адаптированности Ч. Дарвина: каждый вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования.

Закон единства «организм—среда»: жизнь развивается при постоянном обмене веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.

Закон давления среды жизни, или ограниченного роста (Ч. Дарвин): имеются ограничения, препятствующие тому, чтобы потомство одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии, заполонило весь земной шар.

Принцип минимального размера популяций: существует минимальный размер популяции, ниже которого ее численность не может опускаться.

Закон пирамиды энергий (Р. Линдеман): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии (табл.1). Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее — не более 0,5—0,25%, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Табл. 1.Соотношение вещества в пищевой цепи «люцерна—теленок-ребенок»

Правило биологич.усиления: при переходе на более высокий уровень экологической. пирамиды накопление ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, увеличивается примерно в такой же пропорции.

Правило обязательности заполнения экологич. ниш: пустующая экологическая ниша всегда и обязательно бывает естественно заполнена («природа не терпит пустоты»).

Правило экотона, или краевого эффекта: на стыках биоценозов увеличивается число видов и особей в них, так как возрастает число экологических ниш из-за возникновения на стыках новых системных свойств.

Правило множественности экосистем: множественность конкурентно-взаимодействующих экосистем обязательна для поддержания надежности биосферы.

Закон бережливости использования живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов. Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество.

Тема 3.Развитие учения о биосфере Владимира Ивановича Вернадского. Вклад русских ученых в биологию и экологию велик. Первые модели происхождения жизни созданы А.И. Опариным. Почвовед В.В. Докучаев создал учение о почве как своеобразной оболочке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые компоненты. Учение о биосфере Вернадского (ученик Докучаева) ─ продолжение и распространение идей Докучаева на более широкую сферу реальности.

Первое понятия о «биосфере» ─ совокупность всех живых организмов на Земле. Вернадский понимал биосферу более широко как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариантов: I) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли: 3) жизнь возникла вместе с формированием Земли В.И.Вернадский придерживался последнего. Биосфера Вернадского ─ тонкая оболочка Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмосфере верхние границы жизни определяет озоновый экран — тонкий (несколько мм) слой О₃ на высоте около 20 км. Океан населен жизнью до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В глубь Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

По Вернадскому практически все элементы из таблицы Менделеева включены в живое вещество. Три биогеохимических принципа Вернадского: 1)Биогенная миграция хим. элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. 2)Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. 3)Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с ОС, создающейся и поддерживающейся на Земле энергией Солнца.

Данные геохимические принципы соотносятся с другими выводами Вернадского: 1) Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой. 2) Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества. Например, эволюцию форм жизни обеспечило то, что в течение большей части геологического времени часть продуцируемого органического вещества не разлагалась и преобладание органического синтеза качественно изменило первичную атмосферу Земли за счет трансформации в углекислого газа (СО_2), основного компонента первичной атмосферы, в кислород (О₂).

Биосфера играет коcмическую роль в трансформации энергии. По Вернадскому живые организмы ─ механизмы (инструменты) превращения энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли».

Космическая энергия вызывает давление жизни ─ размножение организмов, к-рое уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение. После этого численность колеблется вблизи равновесного уровня.

Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни ─ физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов.

Всюдность жизни в биосфере: жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.