ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ Лекции – 30-34 ч. Гребенчикова Ирина Александровна ст. преп. кафедры биотехнологии и биоэкологии Корп. 3 к. 311 Зачет. - презентация

1 ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ Лекции – ч. Гребенчикова Ирина Александровна ст. преп. кафедры биотехнологии и биоэкологии Корп. 3 к. 311 Зачет

2 Список рекомендуемой литературы 1.Радкевич В.А. Экология. Мн.: Выш. шк., Маврищев В.В. Основы экологии. Мн.: Выш. шк., Маврищев В.В. Общая экология. Курс лекций. Мн.: Новое знание, Собещук О.П. Основы экологии: тексты лекций для студентов экономических специальностей. Мн.: БГТУ, Киселев В.Н. Основы экологии. Мн.: Университетское, Материалы по курсу «Экология» проф. кафедры биологии почв ф-та почвоведения МГУ, д. б. н. Ивана Юрьевича Чернова (адрес сайта ф-та почвоведения МГУ со ссылкой на адрес материалов)

3 Вопросы 1. Зарождение экологии. Период накопления и систематизации фактического материала (с древних времен до второй половины XIX в. (1-4 этапы)). 2. Период доминирования аутэкологического направления. Развитие биоценологии, популяционной экологии (со второй половины XIX до середины XX в. (5 этап)). 3. Период биогеоценологических исследований ( гг. XX века (6 этап). 4. Современные направления и задачи экологии (7 этап).

4 Происхождение слова «ЭКОЛОГИЯ» «oikos» (греч.) дом, жилище, местообитание «logos» (греч.) наука, учение + = Как биологическая дисциплина возникла в середине XIX в. Превратилась в самостоятельную науку на стыке XIX и XX вв. Термин ввел Э. Геккель, 1866 г.

5 Наскальная живопись Проблемы первобытных людей в своей сущности были экологическими.

6 Первый этап развития экологии Примитивные знания, накопление фактического материала тыс. лет назад. Древние охотники. Разные виды животных связаны с определенными условиями, что их численность зависит от урожая семян и плодов тыс. лет назад. Первые земледельцы. Зависимость растений от внешних условий. 5 тыс. лет назад. Древний Египет, Китай и Индия. Севооборот сельскохозяйственных культур. VI-II вв. до н.э. Древнеиндийские памятники литературы «Рамаяна» и «Махабхарата». Сведения о повадках и образе жизни 50 животных, изменения численности животных, сведения об охотничьих запретах. Период: много веков до н.э. – первые века н.э.

7 Второй этап развития экологии Накопление фактического материала античными учеными. Средневековый застой. Период: I – III вв. до н.э. – XIV в. н.э.

8 Древний мир Гиппократ (460 – 375 лет до н.э.) Эмпедокл (ок гг. до н.э.) Аристотель ( гг. до н.э.) Теофраст ( гг. до н. э.) Плиний Старший (ок. 23–79 н.э.) Идеи о влиянии факторов среды на здоровье людей «История животных» Классификация по образу жизни, способу питания «Исследования о ботанике» Сведения о зависимости формы и особенностей роста растений от почвы и климата «Естественная история» «Философия природы» Многие явления природы характеризуются с подлинно экологических позиций Связь растений с условиями существования, их зависимость от окружающего мира

9 Продолжение сбора и первые попытки систематизации колоссального фактического материала, накопленного после средневекового застоя с началом с великих географических открытий XIV и XVI вв. и колонизацией новых стран – в эпоху Возрождения. Третий этап развития экологии Период: с XIV по XVIII вв. включительно.

10 Биология до экологии Эпоха Великих географических открытий XV – XVII вв. Знакомство с многообразием живых организмов Развитие систематики До середины XIX в. в центре внимания – морфология организма Основное содержание биологии – разнообразие форм живых организмов Васко да Гама ( ) Фернандо Магеллан ( ) Христофор Колумб ( )

11 Роберт Бойль (1627–1691) Джон Рей (1627–1705) Антони ван Левенгук (1632–1723) Биология до экологии Изучение «пищевых цепей» и регулирования численности популяций Влияние низкого атмосферного давления на различных животных Первая естественная система растений

12 Карл Линней ( ) Систематика животных и растений Цель – расшифровка плана Божественного творения Понятие вида (вид = элементарный акт творения) Бинарные латинские названия Иерархический принцип в систематике (таксоны)

13 Развитие морфологии и систематики Разнообразие форм организмов Поиск закономерностей Зависимости формы от условий существования – аналогичные органы Последовательные преобразования форм – гомологичные органы Экология Эволюция

14 Русские путешественники XVII – XVIII вв. Крашенинников Степан Петрович ( ) Лепехин Иван Иванович (1740 – 1802) Паллас Петр Симон ( ) Описания растительности и животного мира труднодоступных районов (Сибирь, Арктика) Первые сведения об образе жизни различных видов Первые идеи о зависимости организмов от среды обитания

15 Четвертый этап развития экологии Период: конец XVIII – вторая половина (1866 г.) XIX вв. Крупные ботанико-географические открытия. Систематизация накопленного материала, анализ закономерностей организмов и среды, начало изучения взаимоотношений между организмами. Начало XIX в. – самостоятельные отрасли: экология растений и экология животных. Определение понятия «экология» (1866).

16 А. Гумбольдт Я буду собирать растения и окаменелости, производить прекрасными инструментами астрономические наблюдения, я буду химически анализировать состав воздуха… Но все это – не главная цель моего путешествия. На взаимодействие сил, на влияние мертвой природы на животный и растительный мир, на эту гармонию должны быть неизменно направлены мои глаза… Моим безумным намерением является представить в одном произведении весь материальный мир, все, что мы сегодня знаем о явлениях в небесном мире и в жизни земли, начиная от туманностей и до географии мхов на гранитных скалах… А. Гумбольдт, 1799 Александр фон Гумбольдт ( ) Работы А.Гумбольдта «Идеи о географии растений» «Идеи о физиономичности растений» «Картины природы» «Космос» География растений Ландшафтоведение Учение о зонах природы Учение о биосфере положили начало

17 К. Ф. Рулье Карл Францевич Рулье (1814 – 1858) Профессор Московского университета Первые экологические работы в России Вместо путешествий в отдаленные страны, на что так жадно кидаются многие, приляг к лужице, изучи подробно существа – растения и животных, ее населяющих, в постепенном развитии взаимно непрестанно перекрещивающихся отношениях организации и образа жизни, и ты для науки сделаешь несравненно более, нежели многие путешественники... Полагаем задачею, достойною первого из первейших ученых обществ, назначить следующую тему для ученого труда первейших ученых: «Исследовать три вершка ближайшего к исследователю болота относительно растений и животных и исследовать их в постепенном взаимном развитии организации и образа жизни посреди определенных условий». К. Ф. Рулье. «О задачах экологии», Ни одно органическое существо не живет само по себе; каждое вызывается к жизни и живет только постольку, поскольку находится во взаимодействии с относительно внешним для него миром.

18 Н. А. Северцов Николай Алексеевич Северцов ( ) «Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии» (1855) Самое полное знание о строении животного организма – не более как подготовительное для исследования животной жизни… Далее необходимо исследовать жизненные явления, которые составляют нравы и образ жизни животного. Они сопрягаются влиянием среды, в которой живет животное. Ученик К.Ф.Рулье, зоолог и путешественник, один из основоположников экологии в России

19 Теория эволюции Чарлз Роберт Дарвин ( ) Жан Батист Ламарк (1744–1829) Первая попытка создания стройной и целостной теории эволюции живого мира. Основы современной эволюционной теории (дарвинизм). Алфред Рассел Уоллес (1823 – 1913) Создал одновременно с Ч. Дарвином теорию естественного отбора. Один из основателей зоогеографии. «Вклад в теорию естественного отбора» (1870) «Философия зоологии» (1809) «Происхождение видов» (1859)

20 Доминирование факториальной аутэкологии – изучение естественной совокупности видов, непрерывно перестраивающихся применительно к изменению факторов среды. Определение понятий «биоценоз» (1877), «экосистема» (1936), «биогеоценоз» (1942). Пятый этап развития экологии Период: вторая половина (1866 г.) XIX – середина (1936 г.) XX вв.

21 Эрнст Геккель ЭРНСТ ГЕНРИХ ГЕККЕЛЬ (Haeckel, Ernst Heinrich) (1834–1919) Общая морфология организмов (1866) Естественная история миротворения (1868) «Экология - общая наука об отношениях организмов к окружающей среде, куда относятся все условия их существования» автор термина «Экология»

22 Развитие экологии во второй половине XIX в. Основные направления исследований: Описание образа жизни разных видов Изучение жизни в экстремальных условиях (Арктика, пустыни) Закономерности влияния факторов среды Связь морфологии организмов и среды обитания Периодические явления в жизни организмов (сезонность, суточные ритмы) В центре внимания – организм

23 А. Ф. Миддендорф Миддендорф Александр Федорович ( ) Русский естествоиспытатель, путешественник, исследователь Сибири. Изучение приспособлений растений и животных к жизни в суровых условиях. Один из основоположников зоогеографии. Условия жизненных явлений в Сибири гораздо проще, главные друг друга обуславливающие причины, от которых они зависят, проявляются там гораздо резче, так что самый недостаток в разнообразии форм способствует лучшему пониманию общих законов жизни. «О преимуществах исследований природы в суровом климате», 1869 Арктика для эколога – все равно, что атом водорода для физика. акад. Ю. И. Чернов, 1998

24 Жизненные формы Е. Варминг (Дания) «Ойкологическая география растений», 1895 К одной и той же жизненной форме причисляются все виды, обладающие сходными приспособлениями и внешностью, причем не обращается внимание на систематическое положение этих видов. Виды растений – это те единицы, которыми занимается систематическая ботаника, жизненные формы – это единицы экологической географии растений. Е. Варминг, 1896

25 Правило Бергмана Если существует род, виды которого отличаются только величиной, тогда более мелкие виды этого рода будут тяготеть к более теплому климату, причем в точности в соответствии с их массой. Карл Бергман, 1847 Отношение объема к поверхности (= теплопродукции к теплоотдаче):

26 Правило Аллена Животные, обитающие в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более короткие выступающие части тела (уши, лапы, хвост, нос) по сравнению с обитателями более теплых зон и областей. Д. Аллен, 1877 ПесецОбыкновенная лисицаФенек Заяц-белякТолайАмериканский заяц

27 Экология организма Таким образом в середине XIX в. возникло особое направление - экология Вначале - на уровне изучения отдельных организмов. Важные обобщения организменной экологии 1. Общие закономерности влияния факторов среды на организмы. Адаптации. 2. Учение о жизненных формах. Конвергенции. Экологические классификации. 3. Экоморфология. 4. Экопериодизм. Биоритмы. Макс.Мин. Оптимум Фактор Размножение Время Активность

28 Понятие биоценоза Биоценоз – это объединение живых организмов, соответствующее по своему составу, числу видов и особей некоторым средним условиям среды, объединение, в котором организмы связаны взаимной зависимостью и сохраняются благодаря постоянному размножению в определенных местах. «О биоценозе», 1877 Карл Мёбиус ( ) Объект экологии сообщества организмов! (а не отдельный организм)

29 Развитие идеи биоценоза В основном – изучение растительных сообществ (фитоценозов) С. И. Коржинский И. К. Пачоский ФитосоциологияГеоботаника В. Н. Сукачев В. В. Алехин Л. Г. Раменский А. П. Шенников Ф. Клементс К. Раункиер Ж. Браун-Бланке … В основе растительного сообщества заложен принцип, имеющий в виду выгоду целого, а не составляющих его элементов. И. К. Пачоский «О растительном сообществе», 1921

30 Границы биоценозов Границы между биоценозами менее определенны, чем границы между организмами. Дискретность или континуум? Ценоз 1 Ценоз 2Ценоз 3 Расстояние Обилие видов Дискретность (реальные границы) Ценотический континуум

31 Границы биоценозов – практический аспект Болото Смешанный лес Березовый лес Хвойный лес Определение границ биоценозов – необходимо для классификации и картографирования растительности Геоботанические карты

32 Структура биоценозов Пространственная структура фитоценоза Ярусность Мозаичность

33 Структура биоценоза Экологическая структура биоценоза - набор и соотношение жизненных форм Тундровый лугПойменный лугАльпийский луг В одинаковых условиях формируются биоценозы, сходные по внешнему облику за счет преобладания одинаковых жизненных форм. При этом таксономический состав биоценозов может быть различным.

34 Биотические связи 00Нейтрализм 0-Аменсализм --Конкуренция -+Хищничество 0+Комменсализм ++Мутуализм В основе существования биоценозов лежат взаимодействия организмов между собой. Взаимодействия чрезвычайно разнообразны, но поддаются классификации: Хищничество Комменсализм Конкуренция Мутуализм

35 Саморазвитие биоценозов Фредерик Клементс ( ) Теория сукцессий В пределах одного региона результатом последовательных стадий саморазвития растительного сообщества является одна и та же финальная, или климаксовая стадия, начинаются ли они от водной поверхности или твердой скалы… Ф.Клементс «О сукцессии растительных сообществ», 1929 Сукцессия – саморазвитие растительного сообщества Концепция климакса Время Разнообразие

36 Основные обобщения биоценологии Создание классификации биоценозов (геоботанические карты) Закономерности структуры биоценозов (ярусность, мозаичность) Классификация биотических связей Концепция экологической ниши Концепция устойчивости и саморегуляции биоценозов Закономерности саморазвития биоценозов

37 Аутэкология и синэкология Экология Экология организмов (аутэкология) Экология сообществ (синэкология) III Ботанический конгресс (Брюссель, 1910) - Экоморфология (жизненные формы) - Факторная экология (влияние факторов) - Биоритмы - Структура и границы биоценозов - Биотические взаимодействия - Сукцессии

38 Популяционная экология 1930-е гг. – формирование нового направления –экологии популяций Экология нашествий животных и растений, 1958 Популяция – группа особей одного вида, взаимодействующих между собой и населяющих общую территорию. Те есть организмы одного вида объединены в целостные группы – популяции. На уровне этих групп действуют особые законы. Чарльз Элтон ( )

39 Популяционная структура вида Вид – совокупность популяций. Нарушение связи между популяциями приводит к образованию новых видов Время Вид Вид 1Вид 2 Популяции одного вида

40 Популяционная структура вида Ареалы подвидов белки

41 Структура популяции Случайное Равномерное Групповое Разные популяции характеризуются различной пространственной структурой – расположением особей в пространстве

42 Структура популяции Популяции одного вида могут различаться соотношением числа особей разных возрастных групп Возрастная структура населения трех стран с различными социальными условиями

43 Динамика популяций Логистический закон роста популяции: Типы популяционной динамики Практический аспект: - вспышки численности паразитов, инвазии - борьба с вредителями - истощение запасов промысловых животных Время (t) Численность (N) Емкость среды (K) Численность популяции Время Стабильный Флуктуирующий Взрывной

44 Гомеостаз популяций Существуют механизмы саморегуляции популяций. Регуляция осуществляется по принципу обратной связи. Время Численность Смертность Динамика численности и смертности дафний

45 Концепция экологических стратегий Мы видим полярность между питанием, поддержанием организма, с одной стороны, и деторождением – с другой; и, смотря по перевесу того или иного отправления, порода поддерживается или быстрым размножением, или долговечностью особей, но никогда обоими вместе. Н.А.Северцов, 1855 В разреженной среде, где невелика конкуренция, наилучшей стратегией следует считать максимальный вклад энергии в размножение с целью продуцировать как можно больше потомков в самые короткие сроки. Однако в насыщенной среде обитания, где конкуренция остра, оптимальной стратегией будет расходование большого количества энергии на повышение собственной выживаемости и на продуцирование более конкурентноспособных потомков. Эрик Пианка, 1970 Стратегия большого числа потомков с высокой смертностью Стратегия малого числа потомков с высоким выживанием

46 Основные теоретические обобщения популяционной экологии Критерии для описания популяций (структура популяций) Классификация межпопуляционных взаимодействий Законы динамики популяции Гомеостаз популяций. Механизмы гомеостаза Теория экологических стратегий

47 Шестой этап развития экологии Системный подход к исследованиям природных систем, формирование биогеоценологии и общей экологии, как самостоятельных фундаментальных биологических наук, доминирование синэкологического (биогеоценологического) направления; изучение процессов материально-энергетического обмена, развитие количественных методов и математического моделирования. Период: 40 – 70 гг. XX в.

48 Концепция экосистемы Артур Тенсли ( ) Более глубоким представлением является целостная система, включающая в себя не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов. Хотя организмы в первую очередь могут претендовать на наш интерес, когда мы пытаемся мыслить фундаментально, мы не можем отделить их от окружающей среды, с которой они формируют одну физическую систему. А.Тенсли «Об экосистеме», 1935 Продуценты Консументы Редуценты Круговорот

49 Биогеоценоз Владимир Николаевич Сукачев ( ) Биогеоценоз можно определить как участок земной поверхности, где на известном протяжении биоценоз и отвечающие ему части атмосферы, литосферы, гидросферы и педосферы остаются однородными и в совокупности образующими единый внутренне взаимообусловленный комплекс. В. Н. Сукачев, 1942 Схема биогеоценоза (из работы В. Н. Сукачева)

50 Биогеохимические циклы Нитриты

51 Концепция продуктивности Продуктивность – скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию Измерение продуктивности экосистем – методически просто, но трудоемко!

52 Потоки энергии. Трофические цепи Правило пирамиды: на каждом последующем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, меньше, чем на последующем Всем экосистемам свойственны определенные количественные соотношения первичной и вторичной продукции

53 Основные теоретические обобщения биоценологии круговорот вещества (биогеохимические циклы) превращения энергии (трофические цепи) концепция продуктивности

54 Седьмой этап развития экологии «Экологизация» всех отраслей науки. Становление экологических наук социальной и политической направленности. Возрастание интереса к изучению популяций, динамики формирования биогеоценозов в связи с антропогенными нарушениями. Сокращение описательных и расширение комплексных исследований. Организация долговременного экологического мониторинга разных уровней (наземного, регионального, глобального и др.) Период: с 80-х гг. XX в. по настоящее время

55 Особенности развития экологии в XX в. Математическое моделирование Компьютеризация. Базы данных. Количественные оценки. Прогнозы Международное сотрудничество Прикладная экология. Охрана природы Организационные мероприятия (общества, журналы, совещания)

56 Математическое моделирование. Прогнозы Простейший пример: уравнения Лотки-Вольтерры на основе уравнения логистического роста популяции: Популяции хищника и жертвыКонкурирующие популяции Поколения Численность Рысь и заяц в Гудзоновом заливе Математическая модель

57 Структура биоценоза Видовая структура биоценоза Виды в сообществе Обилие вида, % (N) Ранг вида в сообществе (S) N = f (S) Существует ли закономерность в распределении видов по обилию?

58 Международная биологическая программа Измерение продуктивности суши и океана С 1964 г. Цель – «Выявить основные закономерности распределения и воспроизводства органических веществ в интересах наиболее рационального использования их человеком и получения максимальной продуктивности на единицу площади в природных или культурных условиях».

59 Конец XX века Катастрофический рост численности населения Технологический взрыв. Приоритет технического развития в ущерб гармонии с природой и совершенствованию культуры. Иллюзия независимости от природы и все большая зависимость не деле (нехватка ресурсов). Окончательное осознание ограниченности ресурсов (не только учеными, но и политиками) Проблема охраны природы Результат: экология перестает быть только академической наукой, становится теоретической базой природопользования Экология становится модной Размывание термина «Экология» Осознание необходимости перестройки экономики в соответствии с экологическими законами

60 Размывание смысла термина «экология» Сейчас используется в смыслах: академическая наука (исходный смысл) состояние, тип окружающей среды (экология города) охрана природы (министерство экологии, Гринпис) степень загрязнения окружающей среды (экологически чистый) выражение гармонии («экологическое мышление», экология = хорошо)

61 Определение экологии Биологическая наука Социальные проблемы, охрана природы – другое. ЭКОЛОГИЯ – наука, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и с окружающей их природной средой, а также организацию и функционирование надорганизменных систем различного уровня.