ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Экология как наука и

ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Экология как наука и ее связь с другими науками • 1866 г – Эрнст Геккель - «ЭКОЛОГИЯ»

Термин основан на двух греческих словах: «oikos» – «дом» , «logos» – «наука» С середины прошлого века экология приобрела особую актуальность в связи с усилением антропогенного воздействия на окружающую среду. Но сводить экологию только лишь к проблемам, связанным с загрязнением окружающей среды, нельзя.

Существует множество определений экологии. Вот некоторые из них: • Экология – это раздел биологии, изучающий организацию и функционирование надорганизменных систем различного уровня • Экология – это наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой.

Тема 1. Цели и задачи, стоящие перед экологией 1. Обеспечение рационального использования природных ресурсов 2. Сохранение видового разнообразия в биосфере 3. Сохранение качества окружающей природной среды

Цели и задачи, стоящие перед экологией 1. Обеспечение рационального использования природных ресурсов: В общем случае природные ресурсы можно подразделить на : 1. Исчерпаемые – ресурсы, запасы которых ограничены 1. 1 Исчерпаемые невозобновимые – ресурсы, восстановление которых не происходит совсем или скорость восстановления которых исчезающе мала по сравнению со скоростью из потребления. (каменный уголь, нефть, природный газ. ) 1. 2 Исчерпаемые возобновимые – ресурсы, скорость восстановления которых соизмерима со скоростью их потребления. Это ресурсы растительного и животного происхождения, например, лесные.

1. 2. 3. Качественно исчерпаемые, а количественно – нет. Трудно представить себе ситуацию полного расхода Мир. Ок. Но качество воды может быть снижено, т. е. она может быть израсходована качественно (вода Мирового океана) • 2. Неисчерпаемые ресурсы-запасы которых неограниченны. Такие ресурсы являются внешними по отношению к Земле (солнечная энергия и все виды энергии, с ней связанные).

Актуальность экологических задач Актуальность задач , стоящих перед экологией, очевидна. Об этом свидетельствуют масштабы воздействия человечества на окружающую среду. Под окружающей средой в экологии подразумевают совокупность физических, химических, биологических и социальных факторов, влияющих на все живые существа прямо или косвенно, моментально или более продолжительно. В настоящее время человеком полностью освоено около 60% всей суши. Если же отбросить, территории в принципе не пригодные для освоения живыми организмами (Центральная часть Антарктиды, северная часть острова Гренландия), то для всей дикой флоры и фауны остается лишь около 30% не занятой человеком суши. Такая ситуация приводит к стремительному снижению видового разнообразия в биосфере. Ежегодно полному истреблению подвергается около 18 миллионов гектар лесных экосистем, масштабы опустынивания составляют около 70 тыс. км 2 в год. Ежегодный объем смыва ядохимикатов с сельскохозяйственных полей в мире достигает величины 150 миллионов тонн. Одной из причин столь стремительного разрушения биосферы человеком является безудержный рост населения Земли. Прямо пропорционально этому растет и экологическая нагрузка на окружающую среду. Скорость, с которой растет население планеты, можно проследить по графику, описывающему численность населения в различные периоды истории

Рост численности населения

Связь промышленного производства с загрязнением окружающей среды Природный производство Отход ресурс продукт Загрязнение потребление Отход

Тема 2. Структурные уровни организации материи и объекты изучения экологии, связь экологии с другими науками

Подразделение экологии на разделы неразрывно связано с уровнями организации живой материи. Каждый из разделов экологии изучает соответствующий уровень. Все материальные объекты, существующие вокруг нас можно подразделить на объекты живой и неживой природы. Рассмотрим генетическую иерархию живой материи в порядке усложнения: Физическое поле → элементарная частица → атом → молекула → молекулярный комплекс → ген → клетка → организм → популяция → биоценоз → биогеоценоз → биосфера → Солнечная система → Галактика → Вселенная Рассмотренный ряд иерархии обладает важными особенностями: 1. Равноправие уровней – нельзя утверждать, к примеру, что атомарный уровень организации менее и более важен, чем уровень физического поля. 2. Дискретность. Это подразумевает строгую обособленность и определенность каждого уровня. 3. Иерархическая соподчиненность – нельзя поставить в ряду клеточный уровень перед молекулярным. 4. Эмерджентность. Количество свойств и сложность систем возрастают при продвижении по ряду слева направо. 5. Способность объектов живой природы к массовому воспроизводству. Экология связана с др. науками: у ровни организации от поля до атома изучаются физикой, молекулы и молекулярные комплексы – химией, гены – генетикой, органы – анатомией, организмы – физиологией и экологией, Солнечная система и т. д. – астрономия и физика.

Законы Барри Коммонера 1. Все взаимосвязано 2. Все должно куда-то деваться 3. За все надо платить 4. Природа знает лучше

Аутэкология Этот раздел называют факториальной экологией , так как центральное место в нем занимает понятие экологического фактора. Изучается воздействие внешних факторов на организмы, диапазон действия экофакторов. Таким образом, предметом аутэкологии является живой организм и среда его обитания.

Аутэкология Экологический фактор любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм или любое условие, на которое организм отвечает приспособительными реакциями. Любой организм подвержен влиянию экологических факторов, различающихся режимом воздействия.

Аутэкология Экологические факторы • Абиотические Космические факторы; Абиотические факторы наземной среды (влажность воздуха, осадки, ветер, атмосферное давление, абиотические факторы почвенного покрова, орографические факторы) • Биотические гомотипические и гетеротипические взаимодействия прямые и косвенные

Адаптации к экологическим факторам • Анатомо-морфологические правило Бергмана, правило Алена, правило мехового покрова, правило Глогера (животные в теплых и влажных регионах пигментированы сильнее, чем в холодных и сухих регионах. ) • Физиологические (зимний анабиоз) • Поведенческие сезонные миграции, строительство гнезд птицами, и т. д

Закон лимитирующего фактора Либих 1840 г наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения Закон толерантности Шелфорд 1913 г лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору

Выживаемость, % 100 Зона оптимума жизнедеятельности Зона нормальной жизнедеятельности Зона нормальной Зона угнетения мин оптимум макс Интенсивность Диапазон толерантности фактора

Чем больше расстояние между минимальной и максимальной критическими точками, тем выносливей данный вид по отношению к экологическим факторам. Виды с широким диапазоном толерантности называются эвриэками, а с узким – стеноэками.

ПДК и закон толерантности Устанавливают и утверждают ПДК на основании определения лимитирующего значения экологического фактора. Значение ПДК по отношению к экспериментально установленному значению Спороговое принимают с определенным запасом «n» . То есть: Где: Тлим – лимитирующее нормальную жизнедеятельность организма значение экологического фактора; n 1.

Экологическая индикация • Термин «экологическая индикация» является синонимом термина «биоиндикация» . • Экологическими индикаторами в экологии называют организмы, которые своим присутствием (или отсутствием) в данной среде свидетельствуют о ее специфичности. Все индикаторы обязательно являются организмами стеноэками.

Индикаторы можно подразделить на следующие группы: • Панареальные – проявляют свойства на всем ареале. • Региональные –в пределах конкретных регионов. • Локальные – проявляют индикаторные свойства лишь в конкретном месте.

При решении задач биоиндикации и связанных с ними задач экологического прогнозирования необходимо уделять внимание трем основным аспектам: • разработке соответствующих методов и моделей; • выделению основных факторов в соответствии с целями прогнозирования; • проблеме оценки достоверности получаемых результатов.

В зависимости от индиката различают следующие основные виды биоиндикации: • 1) Индикация состояния атмосферного воздуха • 2) Гидроиндикация – индикация состояния воды • 3) Литоиндикация – индикация состояния почвы • 4) Галииндикация – индикация уровня солености • и т. д.

Биоиндикаторы Свойство среды - индикаторы. 1) Почва

• Избыток кальция

Живокость полевая

Лютик

Горчица

Печеночница благородная

• Недостаток кальция

Василек синий

Редька дикая

Папоротник- орляк

Вереск

Фиалка

• Избыток азота

Лебеда или марь белая

Малина

Крапива двудомная

Лопух большой

Чистотел

Недостаток азота

Росянка круглолистная

Дрок красиль ный

Засоление

1. Солерос, солодка гладкая, 2. тамарикс, донник

• Недостаток влаги

1. Очаток едкий, гвоздика песчаная, овсяница, 2. кошачья лапка, полевица

• Избыточное увлажнение

Черника, сфагнум

Kалужница

Кукушкин лен

Камыш лесной, сабельник болотный

• Деградация почвы – процесс постепенного снижения плодородия почвы вследствие изменения климата, растительного покрова, воздействия человека, неблагоприятного водного режима, а также ее возрастающего выщелачивания.

Горец птичий, лапчатка гусиная

Подорожник, одуванчик

Почвы с высоким плодородием

Кислица, вороний глаз

ВОДА

Чистая вода Водяной орех, наяда

Загрязненная вода 1. Ряска, роголистник, 2. эвглена, хламидомонада

ВОЗДУХ

Чистый воздух: эпифитные лишайники 1

Чистый воздух: эпифитные лишайники 2

Загрязненный воздух: Толерантные лишайники (ксантория)

Загрязненный воздух: пармелии , уснеи

Преимущества биоиндикации по сравнению с приборными методами контроля : • Биоиндикация позволяет осуществлять непрерывный контроль за состоянием окружающей среды. • Биоиндикация позволяет осуществлять объективный контроль за состоянием окружающей среды. • Биоиндикация позволяет осуществлять интегральный контроль за состоянием среды.

Выводы по аутэкологии (8 шт) • 1. Нормальная жизнедеятельность организмов возможна только при нахождении их в оптимальной композиции экофакторов. • 2. Чем древнее адаптация, тем лучше степень приспособления организмов. • 3. Решающее значение для выживания организмов имеют те экологические факторы, которые стоят ближе к критической точке зоны выносливости.

• 4. Организмы, обладающие широким диапазоном выносливости, распространены шире. Эвриэки встречаются чаще стеноэков. • 5. Организм может иметь широким диапазоном выносливости по отношению к одному экологическому фактору и узкий по отношению к другому. • 6. Возможна частичная замена одного экологического фактора другим, но полной замены быть не может

• 7. Наиболее критическим моментом адаптации к экологическому фактору являются период появления на свет и молодость • 8. Выживаемость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Демэкология • Изучает организацию и функционирование популяций. Центральное понятие этого раздела – популяция. Популяцией называют группу особей одного биологического вида, длительное время занимающих данную территорию и взаимодействующих между собой. Слово популяция произошло от греческого – populus – «народ» (demos).

Понятие «популяция» : • Географическая популяция – группа особей одного биологического вида, населяющих территорию с однородными условиями существования. • Экологическая популяция – группа разнополых равноценных в отношении полового отбора особей, находящихся в таких условиях, где любые две особи этой группы могут свободно скрещиваться с равной вероятностью.

Демэкология Популяция • Свойства: место в генетической иерархии, целостность, функциональное единство, генетическое единство, пространственная определенность, способность к росту биомассы, способность к адаптации, гомеостаз, потенциальное бессмертие • Параметры: численность, плотность, рождаемость, смертность, выживаемость, биотический потенциал, возрастная и половая структура

1. Место в генетической иерархии: • Организм Стая, стадо популяция • биоценоз 2. Целостность – все особи одновременно реагируют на изменения экологических факторов как одно целое. 3. Функциональное единство – каждая популяция имеет свою функцию и каждая особь выполняет именно эту функцию.

• 4. Генетическое единство. Все организмы несут один и тот же геном. Поэтому все особи в популяции свободно скрещиваются. • 5. Пространственная определенность – популяция занимает определенную территорию и охраняет ее. • 6. Способность к росту биомассы (за счет рождения новых особей и увеличения веса имеющихся)

7. Способность к адаптации. Стабилизирующий отбор-когда условия среды обитания существенно не изменяются. Процветают особи средние по признакам. Движущий отбор связан с условиями среды обитания. При этом в популяции процветают приспособившиеся особи. Популяция изменяется. Дизруптивный отбор -условия среды обитания на территории изменяются неодинакова в различных частях. В различных частях занимаемой территории процветают особи с разными индивидуальными особенностями.

• 8. Гомеостаз – способность системы сохранять параметры несмотря на внешнее воздействие. • 9. Потенциальное бессмертие. Каждая отдельная особь в популяции имеет ограниченную продолжительность жизни, но вся популяция в целом потенциально бессмертна.

Численность популяции Типы роста численности • Гиперболический n 0 t* Время, t

Экспоненциальный рост (Мальтузианский, неограниченный) n n 0 Время, t

• Рост с ограничением n K n 0 Время, t

• Логистический n III К II I n 0 t

Колебания численности 1. Периодические • Релаксационная осцилляция • Затухающая осцилляция n t

• Релаксационная осцилляция – периодические колебания численности вокруг среднего значения, релаксационный эффект – явление возвращения экосистемы в исходное состояние. • Затухающая осцилляция - периодические колебания численности, приводящие к ее снижению.

n t Непериодические колебания

Динофлагелляты

Плотность популяции • Плотностью популяции называют численность отнесенную к единице занимаемой площади (пространства). За единицу занимаемого пространства может быть принята как единица площади так и единица объема – все зависит от того популяцию какого биологического вида мы рассматриваем. Так например, для крупных теплокровных животных (лось, кабан, слон …) используют размерность «особей на 10000 га» , для почвенных беспозвоночных – «особей на 1 м 2 , для микроорганизмов – «шт в 1 см 3 » . В некоторых случаях плотность популяции можно выражать количеством биомассы, приходящимся на единицу субстрата.

Плотность популяции • Максимальная • Минимальная • Экологическая Методы регуляции плотности популяции 1. Внутривидовая конкуренция 2. Фактор скученности 2. 1. Эффект группы

• Когда особей саранчи немного и они рассеяны, они ведут себя как обычные кузнечики. Но при возрастании численности особей в группе начинается их превращение в кочующую саранчу. При этом меняется не только поведение, но и физиология и морфология тела – вырастают типичные особи летающей или сухопутной саранчи.

Эффект группы КУЗНЕЧИК ЗЕЛЁНЫЙ САРАНЧА ПЕРЕЛЁТНАЯ (Tettigonia viridissima) (Locusta migratoria) Саранча — уникальное существо с двумя альтернативными генетическими программами развития

2. 2. Эффект массы: при высокой плотности популяции возникают негативные изменения в окружающей среде, что приводит к увеличению смертности и снижению плотности популяции. 3. Дисперсия: процесс саморазреживания популяции. Происходит путем расселения особей популяции на большей территории. Снижается плотность. 2. 4. Каннибализм. Это явление выявлен приблизительно у 1300 видов и выражается в поедании особями себе подобных. При высокой плотности популяции Кроликов наблюдается поедание самками своих детенышей. 3. 5. Эмиграция. 6. Стресс-реакция (см. ниже)

• Стресс-реакция. Этот фактор был открыт в 1936 году канадским биологом и врачом Гансом Селье. Согласно его учения выделяют следующие разновидности стресс-реаций: • Специфическая – конкретная реакция на конкретный раздражитель • Неспецифическая стресс-реакция – проявляется по-разному у различных организмов.

Различают также формы стресса: Антропогенный – вызванный присутствием человека. Нервно-психический Тепловой – вызван чрезмерно высокой температурой окружающей среды Шумовой – вызывается повышенным уровнем шума.

Связь плотности популяции с выживаемостью Принцип Олли 100 Выживаемость, % Плотность популяции

Положительные стороны высокой плотности: • Лучше условия для дифференциации организмов в популяции. • Более эффективна защита от врагов. • Лучше условия для выведения и сохранения потомства. • Лучше условия для освоения территории.

• Отрицательные стороны высокой плотности популяции: – Нехватка пищевых ресурсов. При высокой концентрации организмов на небольшой территории, пищевые ресурсы, как правило, быстро истощаются. – Возникновение и распространение болезней. При возникновении инфекционных заболеваний высокая плотность популяции приводит более быстрому распространению инфекции среди особей.

Методы учета численности и плотности популяций Численность является первичным показателем, на основании которого производится подсчет плотности. • 1. Общий подсчет числа организмов в популяции. (напр. , крупных млекопитающих). • 2. Метод пробных площадей. Этот метод используется в основном при подсчете численности организмов, ведущих прикрепленный образ жизни (растения и т. д. ). При этом на территории, занятой соответствующей популяцией ограничивают небольшой участок площади, средний по плотности размещения. • 3. Мечение. Н еобходимо оценить численности рыб в водоеме. П роизве дем отлов некоторого количества рыбы, пометим. (продолжение ниже)

Обозначим количество рыб в первом улове как величину n 1, а общее количество рыбы в водоеме как Nобщ. После того как рыба из первого улова будет помечена, ее необходимо выпустить и произвести вторичный отлов рыбы. Общее количество рыбы во втором улове обозначим как M. Почти наверняка во втором улове окажутся помеченные нами ранее рыбы. Обозначим их количество как m 2. В результате составляется пропорция: n 1 / N общ = m 2 / M из которой легко вычисляется искомое нами Nобщ: 4. Метод подсчета по следам. В зимнее время на территориях с периметром, лишенным растительности. В этом случае при обходе территории подсчитывают количество входящих и выходящих следов, принадлежащих представителям изучаемого биологического вида. Разница показателей дает количество особей, находящихся внутри периметра.

Рождаемость и плодовитость

Рождаемость и беременность • Дольше всех появления потомства ждут африканские слоны — около 660 дней, киты Берда — до 520 суток и белые носороги — 490 дней. Причем на белый свет они производят всего по одному детенышу. Рекордсменом по наикратчайшей беременности является австралийский длинноносый бандикут (1). В организме матери зародыш развивается лишь 12 с половиной суток, а впоследствии донашивается в течение 45 - 60 дней в сумке родительницы. Все остальные звери помельче длительностью беременности похвалиться не могут, зато бьют свои рекорды по численности потомства. Больше всего детенышей «за раз» производят обыкновенный опоссум (2) и сумчатая кошка кволл (3). Мамаши «выплевывают» на свет до 24 малявок! Однако «закон джунглей» суров: выживут из них только те, кто первыми вцепятся мертвой хваткой в материнские соски. . . Гораздо больше везет волчатам, барсучатам, зайчатам, бобрятам и прочей распространенной в средней полосе живности. Обычно они рождаются по 4 -5.