Цель: обоснование актуальности курса экологии

Слово "экология" образовано от греческого "ойкос" (дом) и "логос" (знание, наука). Его ввел в 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель. Но, как наука экология возникла в начале ХХ века, а в широкий обиход это слово вошло в 60-х годах, когда стали говорить об экологическом кризисе

Земля есть живое существо космических масштабов.

Современная экология вышла далеко за пределы чисто биологической науки. В настоящее время экология представляет собой достаточно разветвленную науку, все разделы которой в рамках одного курса охватить невозможно.

Основные понятия экологии: популяция сообщество экологическая ниша экосистема

Популяцией (от лат. populus – народ) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающих определенную область, называемую ареалом. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания.

Совокупность условий, необходимых для существования популяций, носит название экологической ниши. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза. «Любое единство, включающее все организмы (т. е. сообщество) на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ … внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему» (Ю. Одум. Основы экологии. М., 1975).

Главное значение этих понятий состоит в том, что они подчеркивают обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно- следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое. В качестве примера экосистемы можно привести озеро, лес и т.п. Экосистемы очень различны. Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от голубого океана, до высокого леса с крупными деревьями. Термин «экосистема» был введен английским экологом А. Тэнсли в 1935 году. В 1944 году В. Н. Сукачевым предложен термин «биогеоценоз» В. И. Вернадский использовал понятие «биокосное тело»

В зависимости от характера питания в экосистеме строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических (от греч. «трофей» – питание) уровней. Низший занимают автотрофные (буквально: самостоятельно питающиеся) организмы, для которых характерны фиксация световой энергии и использование простых неорганических соединений для синтеза сложных органических веществ (растения).

На более высоком уровне располагаются гетеротрофные (буквально: питающиеся другими) организмы, использующие в пищу биомассу растений, для которых характерны утилизация, перестройка и разложение сложных веществ. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. животными.

В целом в составе экосистемы выделяют три неживых и три живых компонента: 1) неорганические вещества (азот, углекислый газ, вода и др.), включающиеся в природные кругообороты; 2) органические соединения (белки, углеводы и т. д.); 3) климатический режим (температура, свет, влажность и другие физические факторы);

4) продуценты (автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые создают пищу из простых неорганических веществ); 5) макроконсументы – гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы; 6) микроконсументы, или редуценты, – гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы

Пирамида питания определяет круговорот веществ в биосфере, который выглядит следующим образом: Первичные потребители Вторичные потребители Бактерии и грибы Растения

Экология показала, что 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.

В создании кислорода атмосферы и органических веществ главную роль играет фотосинтез, который протекает по такой схеме: Углекислый газ + Вода + Солнечная энергия (в присутствии ферментов, связанных с хлорофиллом) = Глюкоза + Кислород.

Этот процесс преобразования части солнечной энергии в органическое вещество путем фотосинтеза называют «работой зеленых растений». Таким образом, производятся не только углеводы (глюкоза), но и аминокислоты, белки и другие жизненно важные соединения.

Три функции сообщества в целом – продукция, потребление и разложение – тесно связаны друг с другом. Хотя мы считаем микроорганизмы «примитивными», человек не может существовать без микробов.

Сбалансированность продуцирования и разложения – основное условие существования всего живого в биосфере. «В настоящее время человек (разумеется, неосознанно) начинает ускорять процессы разложения в биосфере, сжигая органическое вещество, запасенное в виде ископаемых горючих веществ (угля, нефти, газа), и интенсифицируя сельскохозяйственную деятельность, которая повышает скорость разложения гумуса». В результате увеличивается содержание углекислого газа в атмосфере, который подобно стеклу поглощает инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, создавая так называемый парниковый эффект. Люди оказываются как бы в гигантском парнике со всеми вытекающими отсюда последствиями для глобального климата.

«Среднеглобальная температура атмосферы у поверхности Земли около 15 о С. За последний 1 миллион лет она изменялась в пределах 5 о С похолодания и 2 о С потепления. При изменении средне глобальной температуры на 10 о С, т. е. в 1,5 раза от современного уровня, скорее всего, будет нацело нарушено действие принципа Ле Шателье – Брауна … – биота как бы сама себя «съест», так как процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменениям в окружающей биоту среде, а к быстрой самодеструкции биосферы» (Н. Ф. Реймерс. Надежды на выживание человечества: концептуальная экология. М., 1992, с. 63). Потенциальные опасности данного процесса – таяние полярных льдов.

Экосистемы подобно организмам и популяциям способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние равновесия. Но для того, чтобы эти механизмы нормально функционировали, необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией. Адаптация организма может быть структурной, физиологической и поведенческой.

К структурной относится изменение окраски, строения тела и т. д. К физиологической относится, скажем, появление слуховой камеры у летучей мыши, позволяющей иметь идеальный слух. Пример поведенческой адаптации демонстрирует мотылек с полосатыми крыльями, садящийся на полосатые листья лилий так, чтобы его полоски были параллельны полоскам на листьях.

Аналогичные механизмы адаптации существуют и на уровне экосистем в целом. Они не должны нарушаться человеком, иначе ему придется или самому конструировать их искусственные заменители, на что он пока не способен, или его ждет экологическая катастрофа, так как он не может существовать ни в какой иной среде, кроме биосферы.

Одной из задач экологии является превращения энергии внутри экологической системы. Усваивая солнечную энергию, зеленые растения создают потенциальную энергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы.

При изучении потоков энергии важны два начала термодинамики: Первое начало гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую. Второе начало формулируется таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут протекать самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную.

Второе начало имеет еще и другую, более общую формулировку, справедливую для открытых, в том числе живых, систем. Она гласит, что эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100 %. В соответствии со вторым началом поддержание жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно.

«Все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию, и, таким образом, приближается к опасному состоянию – максимальной энтропии, – представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т. е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию».

В экосистемах перенос энергии пищи от ее источника – растений через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, и называется пищевой цепью. При каждом очередном переносе большая часть (80– 90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.

Это ограничивает возможное число звеньев цепи до четырех-пяти. Зеленые растения занимают первый трофический уровень, травоядные – второй, хищники – третий и т. д. Переход к каждому следующему звену уменьшает доступную энергию примерно в 10 раз. Переходя к человеку, можно сказать, что если увеличивается относительное содержание мяса в рационе, то уменьшается число людей, которых можно прокормить.

Экологическая пирамида, представляющая собой трофическую структуру, основанием которой служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют ее этажи и вершину, может быть трех основных типов: «1) пирамида чисел, отражающая численность отдельных организмов; 2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой вес, калорийность или другую меру общего количества живого вещества; 3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и (или) продуктивность на последовательных трофических уровнях». Энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется на каждом последующем уровне.

Под продуктивностью экосистемы понимается как рост организмов, так и создание органического вещества. Поглощается лишь около половины всей лучистой энергии, и самое большое около 5 % ее в самых благоприятных условиях превращается в продукт фотосинтеза. Значительная часть (не менее 20 %, а обычно около 50 %) этой потенциальной пищи (чистой продукции) человека и животных расходуется на дыхание растений. Содержание хлорофилла на 1 м 2 в разных сообществах примерно одинаково, т. е. в целых сообществах содержание зеленого пигмента распределено более равномерно, чем в отдельных растениях или их частях

Соотношение между зелеными и желтыми пигментами можно использовать как показатель отношения гетеротрофного метаболизма к автотрофному. Когда в сообществе фотосинтез превышает дыхание, доминируют зеленые пигменты, а при усилении дыхания сообщества увеличивается содержание желтых пигментов.

Исторически первым для экологии был закон, устанавливающий зависимость живых систем от факторов, ограничивающих их развитие (так называемых лимитирующих факторов).

Факторы, воздействующие на особь, могут ограничивать её развитие, снижать количество и качество потомства. Такие факторы и называются лимитирующими. В 1840 г. немецкий химик, агроном Юстус Либих (1803–1873) сформулировал закон минимума или закон лимитирующих факторов.

Либих четко сформулировал положение, что устойчивость организма к внешним факторам определяется самым слабым звеном, т. е. тем фактором, который находится в дефиците. Чем выше содержание химического элемента в почве, тем будет выше урожайность растений. Если какого-либо элемента в почве недостает, то увеличение содержания других элементов не приведет к повышению урожайности. Фактор, вызывающий подобное воздействие на живой организм, называется лимитирующим, или ограничивающим фактором.

Закон минимума (закон лимитирующего фактора или закон ограничивающего фактора) гласит: рост и развитие организмов зависят, в первую очередь, от тех факторов природной среды, значение которых приближается к экологическому минимуму. Согласно этому закону, урожай сельскохозяйственных культур зависит от минеральных веществ, находящихся в почве в минимальных концентрациях.

В 1913 году английский биолог Виктор Эрнст Шелфорд (1877–1968) сформулировал закон толерантности (лат. tolerantia терпение), согласно которому на популяцию или организм действует комплекс факторов определенной интенсивности.

Закон толерантности формулируется следующим образом: рост и развитие организмов зависят в первую очередь от тех факторов среды, значения которых приближаются к экологическому минимуму или экологическому максимуму.

Например, избыток тепла, света, воды или недостаток их или других факторов может оказаться губительным для организмов. По отношению к каждому из таких факторов у популяции или организма существует предел выносливости (толерантности), за которыми организм существовать не может и наступает биологическая смерть.

Диапазон экологического фактора между минимумом и максимумом В. Шелфорд назвал пределом толерантности. Из закона толерантности В. Шелфорда вытекает несколько важных выводов: 1. любой экологический фактор среды, приближающийся к границам толерантности или выходящий за её рамки, оказывает на особь отрицательное воздействие, которое будет проявляться, даже если значения остальных факторов находятся в зоне оптимума.

2. Виды, имеющие широкий диапазон толерантности к большинству факторов среды, обычно более широко распространены, чем виды с узким диапазоном толерантности. 3. Пределы толерантности для размножающихся особей (а также, проростков, эмбрионов, личинок) обычно более узкие, чем для неразмножающихся половозрелых растений или животных.

4. Адаптация к одному фактору, выражающаяся в расширении зоны толерантности по отношению к нему, может привести к расширению зоны толерантности по отношению к другому фактору (принцип неспецифичной адаптации).

Влияние экологических факторов на любой организм чрезвычайно разнообразно: одни сильнее действуют на организмы, другие – слабее. Однако, несмотря на столь существенные различия в воздействии экологических факторов на живые организмы, все же можно выявить ряд общих закономерностей.

Интенсивность факторов, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организмов, называют оптимальной или оптимумом (лат. optimum наилучший). Зона оптимума приходится на центральную часть графика, демонстрирующего ответ организма (популяции) на изменение интенсивности воздействия фактора (рис. 1). В этой зоне особи популяции нормально существуют: растут, размножаются, производя максимальное количество потомства, в результате чего наблюдается рост численности популяции.

Рис. 1. Схема действия факторов среды на живые организмы

Если фактор менее или более интенсивен, чем необходимо для нормальной жизнедеятельности организма, в соответствии с его биологией, то популяция сокращает свою численность, поскольку организмы находятся в состоянии угнетения как при резком недостатке, так и избытке воздействия экологического фактора. Эти области называют зонами угнетения или пессимума (лат pessimum наихудший).

Особи, находясь в зоне пессимума (по конкретному фактору), не погибают, однако общая продолжительность жизни снижается, жизненные функции организмов проявляются вяло: организмы оставляют малочисленное или нежизнеспособное потомство. За пределами зоны пессимума лежит зона гибели организмов. Зона гибели организма – такая интенсивность фактора, при которой организм погибает за короткий промежуток времени.

Причем, гибель организмов может наступать как при недостатке экологического фактора (например, кислорода, воды и др.), так и при избытке: солнечной радиации, нитратов, углекислого газа и др. Некоторые факторы не имеют зоны гибели или угнетения. Например, если яркость света, радиоактивное излучение, шум и так далее равны нулю, то животное не будет находиться даже в зоне угнетения. При повышении указанных факторов, будет достигнута зона оптимума, затем зона угнетения и, в конце концов, организм погибнет.

Закон оптимума означает, что каждый фактор положительно влияет на организм лишь в определенных пределах. Оптимальное значение того или иного фактора для каждого вида различно. В зависимости от отношения к экологическому фактору виды могут быть тепло- и холодолюбивые (жираф и пингвин), свето- и тенелюбивые (цитрусовые и ландыш), приспособленные к высокой или низкой солености воды (камбала и карась) и т.д.

Вернадский

Понятие равновесия является одним из основных в науке. Но прежде чем говорить о равновесии в живой природе, выясним, что такое равновесие вообще и равновесие в неживой природе.

Синергетика выявила следующие отличия неравновесной системы от равновесной: 1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т. п.). 2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, энтропия ее уменьшается. 4. Система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза известна в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстоянии порядка см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно древним грекам. Системы нельзя описать однозначно детерминистично, т. е., зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.

Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости.

Подавляющее большинство систем открыты – они обмениваются энергией, веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в природе играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы флуктуируют.

Термодинамика ХХ века изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и есть синергетика (от «синергия» – сотрудничество, совместные действия). Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой.

Гомеостаз – механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь. Кровяное давление, частота пульса, температура тела – все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем.

Согласно принципу равновесия любая естественная система с проходящим через нее потоком энергии склонна развиваться в сторону устойчивого состояния.

Естественное равновесие означает, что экосистема сохраняет свое стабильное состояние и некоторые параметры неизменными, несмотря на воздействия на нее.

В качестве примера действия гомеостатических механизмов рассмотрим динамику популяций. Популяция стабильна, если сохраняет свой размер постоянным.

Регулирование экосистемы может быть физическим и биологическим.

Популяции имеют тенденцию эволюционировать таким образом, чтобы достигнуть состояния саморегуляции.

Антропогенный период, т. е. период, в котором возник человек, является революционным в истории Земли. Человечество проявляет себя как величайшая геологическая сила по масштабам своей деятельности на нашей планете.

Одно из глобальных изменений произошло, на самом начальном этапе развития жизни на Земле, когда в атмосфере появился кислород. Живые существа создали нужную им атмосферу. В процессе своей эволюции живое вещество, преображаясь само и одновременно изменяя косную материю, сформировало биосферу – неразрывную целостную систему живых и косных компонентов нашей планеты. Процесс становления ее идет через выявление и разрешение противоречий между отдельными компонентами, и периоды резкого обострения противоречий могут быть названы экологическими кризисами.

Ранее имели место локальные и региональные кризисы, поскольку само воздействие человека на природу носило преимущественно локальный и региональный характер и никогда не было столь значительным, как в современную эпоху.

В настоящее время представляется обоснованной точка зрения, согласно которой плотность заселения Земли приближается к критической. В начале нашей эры на Земле находилось 250 млн человек. Понадобилось 1,5 тыс. лет для того, чтобы оно удвоилось. К началу XIX века население планеты достигло 1 млрд, а уже в 1987 году на Земле жило 5 млрд человек, причем на прибавление последнего миллиарда ушло всего 12 лет. Сейчас население Земли 7 млрд.

На Земле живет уже сейчас больше оптимального «золотого миллиарда».

Проблема небывалого увеличения давления на биосферу растущего населения планеты становится все более острой. В отдельных регионах и странах ежегодно умирают с голоду миллионы человек. Подъем жизненного уровня населения этих районов, для которых зачастую характерны самые высокие темпы прироста населения, составляет одну из основных задач человечества.

Трудность выполнения которой объясняется хотя бы тем, что даже при сохранении нынешней численности населения планеты для равного обеспечения всех на уровне высокоразвитых регионов необходимо стократное увеличение получаемых материальных благ и многократное увеличение производства продуктов питания. В то же время в других районах Земли, характеризующихся высоким уровнем давления на биосферу, беспокойство вызывает слишком незначительный прирост численности населения или даже его сокращение.

Характерной особенностью нашего времени является интенсификация и глобализация воздействия человека на окружающую его природную среду. Теперешняя экологическая ситуация чревата глобальным экологическим коллапсом, поскольку современный человек разрушает механизмы целостного функционирования биосферы в планетарном масштабе.

5.2. Современные экологические катастрофы То, что глобальный экологический кризис является обратной стороной НТР, подтверждает тот факт, что именно те достижения научно-технического прогресса, которые послужили отправной точкой объявления о наступлении НТР, привели и к самым мощным экологическим катастрофам на нашей планете: 1. Атомная бомба. 2. Высыхание морей

Объявление Тестирование

5.3. Реальные экологически негативные последствия Проблема загрязнения природной среды становится столь острой как из-за объемов промышленного и сельскохозяйственного производства, так и в связи с качественным изменением производства под влиянием научно- технического прогресса. Первое обстоятельство связано с тем, что лишь 1–2% используемого природного ресурса остается в конечном произведенном продукте, а остальное идет в отходы, которые – это второе обстоятельство – не усваиваются природой.

В XX в. человек расширил количество используемых им металлов, стал изготавливать синтетические волокна, пластмассы и другие вещества, свойства которых не только не известны природе, но даже вредны для организмов биосферы. Эти вещества после их использования не поступают в природный кругооборот. Адаптационные механизмы биосферы не могут справиться с их нейтрализацией, и естественные системы начинают разрушаться.

«Технический прогресс вызвал к жизни массу новых факторов (новые химические вещества, различные виды радиации и т. д.), перед которыми человек как представитель биологического вида практически беззащитен. У него нет эволюционно выработанных механизмов защиты от их воздействия».

«Известно, что многие химические вещества являются канцерогенами; в этой роли выступают, по-видимому, даже медикаменты».

Особенно острая ситуация сложилась для жителей мегаполисов. В крупных городах объемы твердых отходов резко возрастают, достигая 1 т в год на одного жителя. Сжигание городского мусора, содержащего значительные количества компонентов, которые не подвергаются минерализации в почве (стекло, пластмасса, металл), приводит к дополнительному загрязнению атмосферного воздуха, которое и так, как правило, превышает по большинству агентов предельно допустимые концентрации (ПДК).

Одним из путей предупреждения загрязнения природной среды являются попытки упрятать отходы как можно дальше. Соответствующие предложения (например, ликвидация отходов путем сбрасывания их в спрессованном виде в тектонически активные зоны океанов, с тем чтобы они в дальнейшем погрузились в мантию, а также другие подобные предложения) не могут не навести на мысль: а не приведет ли это к еще большим трудностям?

СРС Темы 5.4 и 5.5