Экология ( )

Экология ( ) Так что же это за выскочка среди наук, которая представляется нам набором фактов без всякой теории и которая явно страдает от избытка наблюдений и от отсутствия принципов для их классификации? А существует ли вообще такая наука – экология? Эймьян Макфедьен, 1965

Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношении организмов к окружающей среде, куда мы относим все «условия сущестовования» в широком смысле этого слова. Они частично органической, частично неорганической природы. Э. Геккель, 1866

Живая система Окружающая среда Живая система Абиотическая система

Организм Среда Аутэкология – организм во взаимодействии со средой как система, отражающая видовые особенности Экологическая физиология – функциональные взаимодействия организма и среды Факториальная экология – воздействие факторов среды на организмы.

Фактор – (лат. Factor – производящий) 1) Движущая сила, причина, обуславливающая основные характеристики или отдельные черты какого-либо явления или процесса. 2) Мера корреляции между переменными (математич. ) 3) Посредник, перепродавец (устаревшее). Лимитирующий фактор среды – фактор, изменяющий важные функциональные характеристики организмов.

АУТЭКОЛОГИЯ (ФАКТОРИАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ). НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЕЙШИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ: Свет Вода (Увлажненность) Температура

Свет Ресурсный фактор – основной источник энергии для первичного синтеза. hn CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 Свет – весь диапазон солнечного излучения, т. е. поток энергии в пределах длин волн 0, 05 – 3000 нм. 1 нм = 10 -6 мм

Области диапазонов светового излучения Меньше 150 нм – зона ионизирующей радиации 150 нм – 400 нм – ультрафиолетовое излучение (УФ) 400 -800 нм – видимый свет (границы «видимости» различны) 800 -1000 нм – инфракрасное излучение (ИК) Более 1000 нм – дальнее ИК-радиация

Ионизирующее излучение (< 150 нм) – космическое излучение. В зависимости от дозы может проявлять либо повреждающий, либо стимулирующий эффект на субклеточном уровне. Обладает мутагенным действием. Ультрафиолетовое излучение (150 -400 нм) – отражается озоновым экраном атмосферы. Зона 280 -320 нм обладает канцерогенным действием (большая часть этого излучения также не проходит озоновый экран. УФ-излучение воспринимается зрительными рецепторами некоторых организмов (, насекомые). У растений стимулирует синтез биологически активных веществю У животных стимулирует синтез витамина D, важного для нормального роста и развития. Видимый свет (400 -800 нм) – имеет для животных сигнальное, то есть информационное значение, связанное с ориентированием в пространстве. Для растений это – ресурсный фактор. Зона ФАР (фотосинтетически активной радиации) – 400 -700 нм. Некоторые Бактерии-фотосинтетики способны поглощать и более диннноволновую часть спектра. Инфракрасная (тепловая) радиация (800 -1000 нм) – несет основное количество тепловой Энергии, что способствует интенсификации химических реакций (особенно у растений и пойкилотермных животных). Однако слишком большой поток тепловой энергии в соответствии с законом толерантности приводит к угнетению биохимических процессов.

Солнечный свет 100 % Отражается 25 % Отражается 9 % 52 % 24 % облака аэрозоли Поглощается 10 % Поглощается 9 % 24 % 17 % 6 % Поверхность Земли

Кривые функциональной реакции (потребитель-ресурс)

Светолюбивые Теневые Теневыносливые растения (гелиофиты) (сциофиты) Большинство Степные и луговые Растения нижних растений лесной зоны: злаки, растения тундр Ель, лещина, бузина, шалфей ярусов лесов и высокогорий Оптимум – Никогда не растут в Могут существовать при полном условиях сильной при разных режимах солнечном освещенности освещении

Вода: CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 Живые организмы состоят из воды в среднем примерно на 75 %. (1) Растворимость – вода универсальный растворитель. Без нее не могут протекать биохимические процессы (2) Плотность – непостоянна в зависимости от температуры (максимальна при +4 o C). (3) Удельная теплоемкость и теплопроводность – высоки, что нужно для поддержания теплового баланса организмов (4) Количество растворенного кислорода – важно для организмов, обитающих в водной среде (5) Солевой состав. Пресная – менее 0, 5 г/л; морская – 35 г/л. Для растений избыточное поступление солей из почвенного раствора Нарушает клеточно-тканевые процессы, однако устойчивость к засоленности различна. ГАЛОФИТЫ – не просто устойчивы к засоленности. Повышенное осмотическое давление в их клетках способствует более интенсивному Извлечению воды из засоленных (часто бедных водой) почв.

КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТЕНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОТРЕБНОСТИ В ВОДЕ Погруженные (контактирующие только с водной средой) - фитопланктон Влаголюбивые – контактируют еще и с почвой Гидрофиты (укорененные) и (или) с воздухом (плавающие)- элодея, ряска. Растения, занимающие береговые и прибрежные мелководные местообитания. (стебель и листья высоко над водой) – рогоз, камыш. Гигрофиты – наземные растения, обитающие в условиях повышенной влажности (болотные растения и растения влажных тропических лесов). Суккуленты – экономят расход влаги и запасают влагу. Мясистые растения с хорошо развитой Ксерофиты паренхимой, а их форма снижает транспирацию – кактусы, молочаи. Склерофиты - не зпасают влагу, а снижают водный обмен – могут терять до 25 % влаги. – саксаул. Мезофиты – растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. – Большинство широкораспространенных видов.

ТЕМПЕРАТУРА Физический смысл: Средняя кинетическая энергия Коэффициент, свзывающий тепло (Q) молекул и энтропию (S): T=Q/S Источник тепла на Земле – лучистая энергия Солнца Пределы существования жизни – от -200 o C до +100 o C. , однако Для разных видов они различны. Пойкилотермные – температура тела зависит от температуры окружающей среды. Гомойотермные – имеют механизмы (химическую терморегуляцию), позволяющие удерживать температуру Животные: Тела в узких пределах. Эктотермные – согреваются только за счет внешнего тепла Эндотермные – согреваются за счет внутренних процессов

ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ (1) Химическая (биохимическая) терморегуляция – увеличение обмена при снижении температуры среды. (2) Физическая терморегуляция – морфологические приспособления, обеспечивающие лучшую теплоизоляцию- пух, перья, шерсть, подкожный жир и. т. д. (3) Физиологическая терморегуляция (спонтанное усиление мышечной работы (вазомоторные реакции)при снижении температуры среды. (4) Поведенческая терморегуляция – использование убежищ. При перегреве – терморегуляция достигается путем увеличения теплоотдачи (например, потоотделение). Зоогеографические правила, связанные с терморегуляцией (1) Правило Бергмана: В пределах вида или группы близких видов более крупные животные обитают в более холодных условиях. (2) Правило Аллена: В пределах вида или группы близких видов Величина выступающих частей тела (теплоотдатчиков) – таких как уши, лапы, хвосты и т. д. тем меньше и короче, чем холоднее условия

Экологические группы растений по отношению к температуре: (1) Термофильные (теплолюбивые) – сахарный тростник, ананасы, Рис, кукуруза, банан, и. т. д. (2) Мезотермные – расения, обитающие при средних значениях температурного фактора. (3) Криофильные (холодолюбивые) – кустарники и кустарнички тундры, высокогорные растения – морошка, воляника, карликовая береза, эдельвейс.

Законы действия лимитирующих факторов среды Юстус Либих Виктор Шелфорд Закон минимума : рост [растения] Закон толерантности: влияние зависит от того элемента питания, на процессы роста и размножения который присутствует в минимальном оказывают не только факторы, количестве. находящиеся в минимуме, но и те, которые имеют максимальные значения. Liebig J. Chemistry and its Shelford V. E. Animal communities in application to agriculture and physiology. temperate America. Chicago, University London: Taylor & Watson, 1840. of Chicago Press, 1913.

Пределы толерантности пессимум оптимум

Джордж Гриннелл Чарльз Элтон Джордж Хатчинсон ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША Юджин Одум

Фактор 2 Ниша Хатчинсона ( двумерный случай) max фундаментальная min реализованная min max Фактор 1

Показатель РАЗБИЕНИЕ НА ДИСКРЕТНЫЕ КЛАССЫ Фактор

Ширина экологической ниши (например, трофической): Меры перекрывания ниш: 1) Симметричная: 2) Несимметричные:

Рысь (Lynx lynx) Волк (Canis lupus)

РЕСУРСНЫЕ ФАКТОРЫ Трофическая функция или функциональная реакция Solomon, 1949; Ивлев, 1955

Кроуфорд С. Холлинг

Эрик Пианка Эволюционная экология как применение принципа оптимальности

REPETITIA EST MATER STUDIORUM (ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ) Так что же это за выскочка среди наук, которая представляется нам набором фактов без всякой теории и которая явно страдает от избытка наблюдений и от отсутствия принципов для их классификации? А существует ли вообще такая наука – экология? Эймьян Макфедьен, 1965

ЗАКОНЫ ЛИМИТИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША, ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОСТИ, ТЕОРИЯ ОПТИМАЛЬНОГО КОРМОДОБЫВАНИЯ

Джордж Гриннелл Чарльз Элтон Джордж Хатчинсон ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША Юджин Одум

Ширина экологической ниши (например, трофической): Меры перекрывания ниш: 1) Симметричная: 2) Несимметричные:

Принципы оптимальности (экстремальные или вариационные принципы) пронизывают все естествознание. Оптимум (экстремум) – это точка максимума или минимума какой-либо характеристики (значения функции). На языке математики в этой точке производная функции равна нулю. Например, любое стремление к равновесию (стационарности) -это выражение принципа оптимальности, так как при этом скорость -(производная по времени) равна нулю.

Пределы толерантности оптимум

Адаптация – эволюционно возникшие (наследственно закрепленные) черты, обеспечивающие приспособление организмов к окружающей среде. Акклимация – способность изменять свои характеристики в рамках видовой наследственной базы так, что способность противостоять негативным факторам увеличивается. Если организм адаптирован, то он демонстрирует черты, изменение которых в любую сторону должно уменьшить степень приспособления к среде (т. е. он должен быть в определенном смысле устроен оптимальным образом). «ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ» (Н. Рашевский).

ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОСТИ В БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ Д’Арси Вентворт Томпсон Роберт Розен

Кроуфорд С. (Базз) Холлинг Богомол (Mantus religiosa) Эмпирическое подтверждение: хищник чаще всего ловит жертв, наиболее соответствующих его «устройству» .

Теория оптимального кормодобывания Балансовый принцип: «выгода» - это разность между приходом и расходом. Одни и те же затраты (усилия) могут дать разные результаты. Адаптированными являются те виды, которые извлекают максимально возможную (при прочих равных условиях) «выгоду» , т. е тратят меньше для «получения» большего.

Теория оптимального кормодобывания Дэвид Стефенс Джон Кребс Stephens D. W. & Krebs J. R. Foraging theory. -N. Y. : Princeton University Press, 1986.

6 -й Международный симпозиум по эволюционной экономике "Эволюционная теория, инновации и экономические изменения" Конструирование ниши: пересмотр моделей взаимодействия фирмы и окружающей среды П. О. Лукша Университет Хертфордшира и ГУ - Высшая школа экономики http: //www. geocities. com/pluksha bowin@mail. ru