Тема 1. Введение. Основы общей экологии

Экология как наука, современные направления ее развития. Предмет, задачи и основные понятия экологии. Краткая история экологического знания. Экологизация современной науки.

Среда обитания. Экологические факторы среды обитания, их классификация. Основные законы экологии – закон минимума, закон толерантности, законы экологии Б. Коммонера.

Понятие о биосфере. Строение и границы биосферы. Краткая история развития знаний о биосфере. Учение о биосфере и ноосфере В.И. Вернадского. Живое вещество. Круговорот веществ в биосфере.

Взаимоотношения организмов и среды обитания. Развитие взаимоотношений человека в биосфере.

Экологические проблемы России. Глобальные экологические проблемы. Экологическое образование, его цели и задачи. Непрерывность и междисциплинарность экологического образования.

Экология – сравнительно «молодая» наука. Буквально этот термин, происходящий от греческих слов «ойкос» – дом, жилище и «логос» – наука, означает наука о доме, местообитании.

Существует много определений экологии как науки, однако подавляющее большинство современных исследователей считает, что э кология – это наука о взаимоотношениях живых организмов, условий среды их обитания и всех функциональных процессов, делающих среду пригодной для жизни.

В настоящее время значение экологии и спектр изучаемых ею проблем очень велики. В зависимости от решаемых задач и изучаемых объектов выделяют общую (классическую) экологию, специальную (биологическую) экологию, прикладную и глобальную экологию.

Общая экология изучает законы и механизмы формирования структуры, функционирования и эволюции экосистем на основе таких свойств экосистемы как продуктивность, устойчивость, круговорота вещества и энергии. Она является теоретической основой для всех остальных разделов экологии.

Предметом специальной экологии является приложение законов общей экологии к определенной группе живых организмов и различным типам местообитаний. В соответствии с этим выделяют экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов, (рассматривая еще более подробно - экологию птиц, рыб и т.д.); по типам местообитаний – экологию суши, экологию моря, экологию пресных вод и т.д.

Прикладная экология изучает способы уменьшения отрицательного влияния хозяйственной деятельности человека на природу и его здоровье. Она разделяется на промышленную, сельскохозяйственную, медицинскую, космическую и т.д.

Глобальная экология ориентирована на урегулирование взаимоотношений человечества как биологического вида, живущего на Земле и подвергающего ее негативным воздействиям, с окружающей средой с целью ее сохранения в пределах всей биосферы. Она предусматривает осуществление тесного межгосударственного сотрудничества не только в области охраны окружающей среды, но и социально-экономического сотрудничества и координации действий.

Предметом исследования экологии в целом является организация и функционирование живых систем более сложных, чем организм (в отличие от биологии, например), называемых экологическими системами или просто экосистемы.

Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Различают естественные (природные), формирующиеся под влиянием природных факторов, и антропогенные (искусственные), создаваемые человеком в процессе хозяйственной деятельности. Экосистемами являются, например, участок леса, муравейник, территория фермы, кабина космического корабля и т.д. Выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд и т.п.) и макроэкосистемы (океан, континент и т.п.). Экосистема – это также безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии.

Рассмотрим другие важные понятия экологии. Популяцией (от лат. populus – народ) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающих определенную область – ареал. Сообщество – это система взаимодействующих, дифференцированных по экологическим нишам, часто конкурирующих друг с другом видов. Выделяют сообщества растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробиоценоз). Биогеоценоз – это однородная экосистема (участок леса, луга, степи), для которой характерно наличие участка суши (пространства) с практически равномерно распределенными по нему условиями жизни и населяющими его организмами.

Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, (глобальная экосистема), является биосфера – активная оболочка Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое.

Одним из важнейших понятий экологии является среда обитания. Среда – это совокупность факторов и элементов, воздействующих на организм в месте его обитания.

Экологический фактор – это элемент среды, оказывающий прямое влияние на живой организм хотя бы на одной из стадий индивидуального развития. Все экологические факторы условно разделяют на биотические, абиотические и антропогенные.

Биотические факторы – это все возможные влияния, которые испытывает живой организм со стороны окружающих его живых существ. Действие их может быть как прямым (непосредственное взаимодействие особей между собой), так и косвенным (выделение растениями кислорода, необходимого для жизни других организмов).

Абиотические факторы – это все влияющие на организм элементы неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы, естественный радиационный фон Земли и др.). Важнейшими абиотическими факторами являются солнечное излучение, от которого зависит фотосинтез, создание биомассы растениями, от наличия которой зависит жизнь на Земле, а также вода.

Антропогенные – это факторы, определяющиеся активным воздействием человека на природу. Деятельность человека может оказывать на природу как прямое, так и косвенное воздействие. К прямому воздействию относят потребление, размножение и расселение человеком как отдельных видов животных и растений, так и создание целых биоценозов. Косвенное воздействие осуществляется путем изменения среды обитания организмов: климата, режима рек, состояния земель и т.д.

Основные законы экологии:

Не все экологические факторы: свет, влажность, наличие солей, обеспеченность биогенными элементами и т.д. – одинаково важны для успешного выживания организма.

Идея о том, что выносливость организма определяется самым слабым звеном среди всех его потребностей, впервые была высказана К. Либихом в 1840 году. Он сформулировал принцип, который известен как закон минимума Либиха: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени».

Современная трактовка этого закона звучит следующим образом:

Закон минимума Либиха – существование и выносливость организмов определяются самым слабым звеном в цепи их экологических потребностей. Согласно этому закону величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность в котором удовлетворяется меньше всего. По мере его повышения урожай будет возрастать пропорционально вносимым дозам до тех пор, пока содержание другого вещества не окажется минимальным.

В 1913 г. В. Шелфорд сформулировал принцип о лимитирующем влиянии максимума наравне с минимумом как «закон толерантности».

Закон толерантности – существование вида определяется лимитирующими факторами, находящимися не только в минимуме, но и в максимуме. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности (терпимости, выносливости) в которых организм нормально реагирует на влияние среды.

Законы Одума являются дополнение к закону толерантности Шелфорда:

1) Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и узкий в отношении другого.

2) Организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов наиболее распространены.

3) Если условия по какому-либо экологическому фактору не оптимальны, то диапазон толерантности может сузиться и в отношении других факторов.

4) Многие факторы среды могут стать лимитирующими в критические периоды жизни организмов, особенно в период размножения. Например, зона толерантности у молодых организмов ¢уже, чем у более зрелых.

Законы Коммонера: 1. Все связано со всем.

2. Все должно куда-то деваться.

3. Природа знает лучше.

4. За все нужно платить.

Кроме вышеперечисленных, существуют и другие важные для экологии законы и принципы, такие как закон бумеранга, закон незаменимости биосферы, закон шагреневой кожи, принцип генетической переадаптации, принцип сохранения упорядоченности и др.

Учение о биосфере (опубликовано Вернадским в 1926 г.) было продолжением и распространением идей В.В. Докучаева, который показал зависимость процессов почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительных и животных организмов. Однако, следует отметить, что сам термин был введен австрийским геологом Э.Зюссом еще в 1875 году, при этом биосфера определялась как пространство, заполненное жизнью.

Значение учения о биосфере Вернадского для экологии определяется тем, что биосфера представляет собой высший уровень взаимодействия живого и неживого и является совокупностью экосистем.

Биосфера – нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, «область существования живого вещества» (В.И. Вернадский); самая крупная экосистема Земли. Толщина биосферы по разным данным составляет от 20 до 40 км, но основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной 50-100 м. В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном – тонким слоем озона на высоте 16-20 км. Океан населен жизнью целиком до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

Биосфера включает как область распространения живого вещества и живых существ, так и само это вещество. Биосфера возникла 3,5-4,5 млрд. лет назад. Биосфера – это не простое сочетание абиотической области распространения живого вещества и живых существ, а их тесное взаимодействие. Как живое вещество есть «функция биосферы», так и биосфера есть результат развития живого вещества как планетарного явления, служащего могучей биологической силой, связанной с другим веществом биосферы биогенной миграцией атомов.

Живое вещество – совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, вне зависимости от их систематической принадлежности. Общая масса живого вещества оценивается величиной (2,4-3,6)^.10¹² тонн. Вернадский неоднократно указывал на то, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Живое вещество представляет собой неразрывное молекулярно-биохимическое единство, системное целое с характерными для каждой геологической эпохи чертами. Уничтожение видов живого человеком может нарушить ныне имеющееся единство, что приведет к резкому изменению молекулярно-биохимических свойств живого вещества и невозможности существования многих ныне процветающих высокоорганизованных видов, в том числе, весьма вероятно, и самого человека. Отсюда важность сохранения видов и в целом живого вещества современного геологического периода времени.

Вернадский определил биосферу как термодинамическую оболочку с температурой от +50° до –50° и давлением около 1 атм. Эти условия составляют границы жизни для большинства организмов. Все живые организмы образуют биомассу планеты и составляют около 0,01% массы земной коры, но несмотря на незначительную общую биомассу деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, формирование почвенного слоя и горных пород в литосфере.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов и осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Химические вещества циркулируют между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами гетеротрофами и деструкторами) разрушаются с тем, чтобы продукты этого разрушения были использованы растениями для новых органических синтезов.

Анализ экологической ситуации в нашей стране содержится в ежегодном исследовании, которое называется «Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации».

Экологическая ситуация в России сейчас определяется такими негативными тенденциями, как превалирование природоемких отраслей народного хозяйства, несовершенство технологий, сырьевая ориентация экспорта, остаточный принцип финансирования природоохранных мероприятий и программ экологического профиля. В последнее время экологические проблемы обострились из-за вероятности аварий и катастроф техногенного характера, нарушения норм охраны окружающей среды, растущей социальной напряженности в обществе, продолжающегося износа производственных фондов и пр. Общее сокращение производства не привело к уменьшению антропогенного давления на природную среду. Наоборот, нарастает заброшенность, «замусоривание» территорий. Некоторое снижение уровня выбросов и сбросов от промышленных предприятий компенсируется увеличением количества «залповых» выбросов в результате аварий, усиления транспортного типа загрязнения.

В современной России экологические катастрофы становятся неизбежными и вследствие изношенности основных производственных фондов.

Экологический кризис – ситуация, возникающая в результате катастрофических природных (извержение вулкана, землетрясение, наводнение, пожар, эрозия) и антропогенных факторов.

Экологическая катастрофа – природная аномалия (длительная засуха, наводнение, массовый мор скота) или техногенная катастрофа, приводящие к неблагоприятным экологическим последствиям и, как правило, к массовой гибели живых организмов.

«Экологическая обстановка в России крайне неоднородна. С одной стороны, из 17 млн.кв.км российской территории около 50% по международным стандартам квалифицируются как практически не подвергшиеся существенным хозяйственным воз­действиям. Это, прежде всего, регионы Сибири, Дальнего Востока, Арктики и Субарктики (включая и Ев­ропейскую часть). Расположенные здесь экосистемы представля­ют исключительную ценность для биосферы Земли.

С другой стороны, около 15% российской территории,накоторых проживает две трети населения страны, характеризуют­ся как экологически неблагополучные. Такие районы расположе­ны прежде всего в Европейской части России, на Урале, приу­рочены к местам размещения промышленных агломераций и мощных добывающих предприятий Сибири и Дальнего Востока. Естествен­но, именно на этой части территории наибольшая плотность на­селения, размещены основные промышленные предприятия и наи­более развито сельскохозяйственное производство. Здесь естественные экосистемы в значительной мере разрушены челове­ком, в весьма существенной степени редуцированы и не справ­ляются с антропогенным потоком загрязнений при его современ­ном объеме.

Остающиеся примерно 35% территории испытали негативное влияние хозяйства, но при этом расположенные нанихэкосистемы, вполне сохранили жизнеспособность и потенциал, необходимый для полной компенсации комплекса ло­кальных и региональных антропогенных воздействий.» (Из доклада «Состояние окружающей среды в Российской Федерации и перспективы устойчивого развития» В.И.Данилов-Данильян)

В развитии экологической ситуации на территории нашей страны имеются весьма поучительные примеры, когда следствием бездумного, недопустимо безответственного отношения к природе является гибель целой территории.

Основная литература по теме: 1,2

Дополнительная литература по теме: 1, 5, 7, 8, 10