Растущий интерес к экологическим проблемам

• Растущий интерес к экологическим проблемам • 1. Касаются каждого жителя планеты

• 2. Экологические ситуации динамичны

• 3. Общественные и научные движения в защиту окружающей среды оказались действенными

Изменение фундаментальных основ экологии • Экология вышла из рамок биологии, вбирая знания о свойствах неживой природы, о технологиях очистки, о предельных нормах загрязнения и т. д.

Классическое определение экологии: наука, изучающая взаимоотношения живой и неживой природы

Сложности определения экологии • Неопределённость границ дисциплины • Неустоявшиеся представления о структуре дисциплины • Деление экологии на общую и прикладную • Мир много сложнее, чем мы думаем и с иллюзиями простоты необходимо расстаться

«Размытость» термина экология • направление академических знаний, • состояние окружающей среды (экология города), • степень загрязнения (экологически чистый экологически грязный), • природоохранные мероприятия (борьба за экологию) • бытовая оценка загрязнения окружающей среды (плохая экология) и т. д.

Экосистемы – объект изучения экологии • экосистемы основные природные единицы поверхности планеты c постоянно поддерживающимся круговоротом веществ между организмами и окружающей их средой (А. Тенсли, 1935 г. )

Экосистема Совокупность популяций организмов разных видов (животных, растений, грибов, микроорганизмов) называется сообществом + абиотические условия среды

Экосистемы арктических пустынь

Экосистемы тундры

Экосистемы тайги

Экосистемы лесостепи

Экосистемы полупустынь

Экосистемы пустынь

Экосистемы дождевых лесов

• • Экосистемы: природные антропогенные техногенные

• каждая экосистема многослойна • экосистемы объединены между собой многочисленными связями внутри биосферы

• два процесса, соединяющих живую и неживую природу: образование органических веществ из неживой природы и разложение организмов после гибели с возвращением веществ в среду • процессы связывают живые организмы и их среду обитания в экологическую систему Панорама национального парка "Таганай" с Черной скалы,

микроэкосистемы - (покрытый лишайниками камень), мезоэкосистемы - (луг или пустынный бархан) макроэкосистемы - (моря и океаны, природные зоны) мегаэкосистема высшего ранга - биосфера

• Из-за сложности, внутренней самоорганизации и упорядоченности некоторые исследователи считают самую большую экосистему Земли биосферу - живым организмом. А. Д. Давидович Арманд в своем исследовании «Эксперимент «Гея» , приводит обрывок разговора, услышанного в коридоре института: • - Земля — живая. • - Ну, в каком-то смысле? • - В прямом смысле. Это организм. • - Чушь собачья. • - Какой-то не очень научный разговор у нас получается

• Верхний предел экосистем - биосфера • нижний предел - вопрос дискуссионный.

• ЭКОСИСТЕМЫ: • Биотическая составляющая (биоценоз) • Абиотическая составляющая (экотоп) Бирюксинский перевал, Алтайский край

• В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мебиус - учение о биоценозе - сообществе организмов, которые через среду обитания теснейшим образом связаны друг с другом

Компоненты экосистемы • Совокупность популяций организмов разных видов (животных, растений, грибов, микроорганизмов) называется сообществом (биоценоз) • совокупность абиотических факторов окружающей среды (экотоп): климат, почва, поверхностные и грунтовые воды

Биоценоз • Фитоценоз (растительное сообщество) • Зооценоз (сообщество животных) • микоценоз (сообщество грибов) • Микробоценоз (сообщества микроорганизмов)

• Для живых организмов экотоп является не только территорией обитания, но и «сырьевой базой» существования

Биотическая составляющая экосистем • общепринятой классификации органического мира до сих пор не существует и одновременно существует несколько вариантов систематик живых организмов

Наиболее распространенная систематика • организмы подразделяются по отсутствию или наличию ядра на прокариот и эукариот • Прокариоты - первый эшелон жизни на планете (бактерии и сине-зеленые водоросли). • Эукариоты - это растения, грибы и животные.

Начало жизни • Одна из первых гипотез - теория спонтанного зарождения жизни: определенные частицы содержат активное начало, которое при благоприятных условиях может создать живой организм (Аристотель) • Пример активного начала - яйцо, солнечный свет, гниющее мясо

• С распространением религии основополагающей стала теория креационизма, утверждающая, что жизнь на Земле и мир в целом созданы божественно

• Теория возникновения жизни вне планеты Земля – гипотеза панспермии (зародыши жизни постоянно путешествуют по космосу и могли быть занесены на планету из других планет с метеоритами).

Возраст Земли - 4, 5 -4, 6 млрд. лет 4 млрд. лет н. - древнейшие горные породы, железные руды 3, 5 млрд. лет н. - первые микроорганизмы (прокариоты) 2 млрд. лет н. - свободный кислород в атмосфере, озоновый слой 1, 5 млрд. лет н. - древнейшие ископаемые эукариоты около 700 млн. лет н. -многоклеточные организмы 450 млн. лет н. - растения захватили сушу

• Первый человек появился всего полминуты назад. И за последние несколько секунд он сильно изменил облик планеты

• многообразие форм жизни на земле – биологическое разнообразие • число известных зарегистрированных видов -более 1, 5 миллионов: 500 тысяч видов растений и более 1, 0 млн. видов животных • открытия продолжаются

Царство животных • самое разнообразное по видовому составу (свыше 1 млн. видов): • позвоночные животные 4%, млекопитающие 0, 4% из общего числа видов. • наиболее многочисленна группа насекомых

Царство растений • живые организмы, размножающаяся спорами, семенами и вегетативным путем • Наиболее примитивные низшие растения – водоросли • благодаря фотосинтезу вода и воздух превращаются в живую материю

Царство грибов • как микроскопические одноклеточные организмы дрожжи, так и подберезовики, мухоморы… • описано около 100 000 видов • не способны сами синтезировать органику, а произрастают на готовом органическом субстрате • интенсивно размножаются в теплых и влажных местах

• Основная функция – разложение отмерших животных и растений до первичных органических соединений • Отрицательная функция для человека: разрушают провода, оптические приборы, ткань и т. д.

Царство микроорганизмов • Размеры - тысячные доли миллиметра • общая масса на суше - миллиарды тонн • до сих пор нет четкой классификации

• как прокариоты, так и эукариоты • Самые известные - бактерии и вирусы: бактерии способны синтезировать живое вещество, а вирусы его разрушают • на каждом квадратном сантиметре нашей кожи находиться как минимум 2000 бактерий • в 1 г почвенного субстрата может содержаться до 10 млрд. микроорганизмов.

Бактерии (лат. «маленькая палочка» ) около 6000 видов • • функция - находиться на «передовом фланге» • обитают при разных температурах, в самых кислых и щелочных источниках, первыми заселяют лавы • «Выгрызают» литосферу, расщепляют растворенные в воде соединения, извлекают необходимые для жизни элементы • синтезируют первичные органические соединения.

• подразделяют на аэробные и анаэробные • обладают способностью разлагать различные вещества и соединения • используют для рекультивации почв при нефтезагрязнении, для разложения синтетических веществ • используются как источники антибиотиков и являются возбудителями холеры, сибирской язвы и др.

Вирусы • • около 6000 вирусов живым организмом можно считать условно содержат генетическую информацию размножаются, используя клетки живого организма как фабрику для производства собственных копий • стабилизируют рост бактерий и приводят к появлению более устойчивых штаммов бактерий

• По способу питания живые организмы можно разделить на • автотрофов (или продуцентов) • гетеротрофов (или консументов) • редуцентов (деструкторов) Слоны в дельте реки Окаванго, Ботсвана

• Продуценты - зеленые растения суши и моря, синезеленые водоросли, использующие в качестве питания минеральные вещества, а в качестве источника энергии - солнечный свет или энергию химических связей

• Растения улавливают энергию света за счет хлорофилла, в результате чего из СО 2 и Н 2 О синтезируется основа любого органического вещества - глюкоза C 6 H 12 O 6 и выделяется кислород и вода

• Глюкоза – кирпичики живого вещества: С-С и С-Н связи образуют сложные органические молекулы и бесконечное разнообразие биоты • фотосинтез растений обеспечивает все живое на планете необходимым количеством органических соединений и кислородом

• Консументы – от бактерий до крупных животных, используют в качестве пищи и источника энергии органику, созданную продуцентами

• Редуценты питаются мёртвым органическим веществом (многие микроорганизмы, грибы и некоторые виды животных и насекомых). • Функционально редуценты это консументы, поэтому их часто называют микроконсументами

• каждый организм имеет свою функцию: прокариоты ассимилируют неорганическую материю, растения синтезируют биомассу, грибы и бактерии разлагают органику, а животные являются регуляторами процесса в целом • процесс характерен для любой экосистемы – «от кочки до оболочки» .

• связи между организмами основаны на трофических и пространственных взаимоотношениях • Одни организмы продуцируют биомассу, другие её потребляют, третьи охотятся за вторыми, чтобы съесть

• благодаря старым девам в Англии не перевелись еще отбивные котлеты: старые девы любят кошек -врагов мышей, разоряющих гнезда шмелей, которые опыляют красный клевер, которым питаются овцы, из которых готовят отбивные котлеты

• последовательная передача органического вещества и энергии от одних организмов к другим, называется трофической цепью • часто трофические цепи пересекаются, имеют общие звенья - более сложная система называется трофической сетью • Каждое звено трофической сети или цепи трофический уровень

• Трофические цепи: пастбищные и детритные • пастбищная цепь - автотрофы - растительноядные животные – хищники (фитопланктон - зоопланктон рыбы, питающиеся зоопланктоном - хищные рыбы и т. д. ) • Детритная цепь: мёртвая органика – детритофаги – хищники – редуценты (опавшие листья - дождевой червь - горностай, или опавшие листья - грибы гнилостные бактерии) Бурундук, небольшой зверек из семейства беличьих, обитает в тайге и питается в основном семенами кедра и других растений

• доля получаемой энергии на каждом трофическом уровне - около 10% (биомасса растительности в 10 раз больше, чем масса растительноядных животных, а масса консументов, поедающих растительноядных животных, уменьшается еще в 10 раз и т. д. )

• Уничтожение отдельных звеньев трофической цепи – изменение устойчивости экосистем • Масштабная «война» в Китае по уничтожению «четырех вредителей» : крыс, комаров, мух и воробьев. После истребления воробьев – нашествие насекомых – неурожай – голод - погибло около 30 миллионов человек

• Кроме трофических связей, между организмами в биоценозе возникают: • топические • форические • фабрические связи Птенцы фрегатов на одном из 33 островов республики Кирибати. В 2010 году заповедная территория островов Феникс объявлена объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО.

• Топические связи - создание или изменение одним видом условий существования для другого (деревья - местообитание птиц, на листьях живут насекомые, в корневой системе - грибы и т. д. )

• Форические связи - одни организмы способствуют расселению других (опыление растений, перенос животными семян, спор, водорослей и т. д. )

• фабрические связи: при создании сооружений одни организмы используют различные части других организмов (гнезда птиц - ветки деревьев, муравейника - хвойный опад, бобр – растительность)

Понятие о популяции • Формой существования жизни является вид – совокупность особей с общими морфофизиологическими признаками, эволюцией, способных скрещиваться друг с другом, образующих единую систему геномов • Адаптация видов к среде обитания

Состав живых организмов • Организмы имеют один и тот же генетический код. • генетический текст длиной в три миллиарда букв. • отличия генома (от слов ген + хромосома): 99 из 100 букв у шимпанзе и человека одинаковы. • В ДНК человека есть довольно много сходства даже с мышами и дрозофилами. • Воспроизводство организмов - смена поколений и передача наследственной информации

Элементный состав все элементы, но организмов большинство чрезвычайно мало • • каркасные элементы- кислород, углерод, водород и азот - 98, 72 % • Таким образом, для всех живых организмов планеты характерно биохимическое единство

• Живые организмы на 70% содержат кислород, большая часть которого связана с водородом и образует воду. • В водных организмах количество воды - 90%, в зеленой растительности – более 85%, в крупных млекопитающих - 60%, и только споры и семена содержат менее 15 %.

• между генофондами разных видов нет обмена генами, но в природе есть исключения. Так, потомство тигров и львов лигры и тигоны, гибрид от скрещивания осла и лошади - мул, лошак – от жеребца и ослицы, зеброид – от зебры и домашней лошади. • Особенно часто процесс гибридизации происходит у растений

• Конкретная область распространения вида - ареал • Величина ареала зависит от степени подвижности особей (у улиток- метры, у китов – тысячи км) • Границы ареала часто совпадают с крупными природными преградами (горами, реками, морями). • площадь ареала зависит от климата, пищевых ресурсов и т. д.

• Виды в пределах ограниченного ареала – эндемики (наиболее богаты эндемиками океанические острова, изолированные горные долины).

• на Галапагосских островах около 97% видов эндемичны

• палеоэндемики - виды сохранившихся организмов с прошлых геологических эпох (большинство сосредоточено в Австралии и Новой Зеландии)

• Неоэндемики - молодые виды, образовавшиеся в изолированном ареале Нерпа – единственный в мире пресноводный тюлень.

• Противоположность эндемиков - космополиты – виды, распространенные на большей части планеты: либо обитатели распространенных экосистем, либо широко расселившиеся виды (тараканы, серые крысы, крапива двудомная).

• Убиквисты - обитают практически повсеместно: волк, тростник обыкновенный распространены от тундр до пустынь

• Ключевые виды могут кардинально влиять на другие организмы в экосистеме (вылов мойвы и креветок привел к резкому уменьшению многих видов рыб, для которых они были кормовой базой, исчезновение крупных хищников, регулирующих численность популяций их жертв)

• Виды часто занимают большой ареал, в пределах которого распределены группами – популяциями • Популяция - совокупность особей одного вида, занимающая относительно однородное пространство, имеющих общий генофонд, общую морфологию, единый жизненный цикл

• Плотность популяции - число особей на единицу площади или объема. • от плотности зависит функционирование всей экосистемы (несколько семей полевой мыши на поле неопасны, при возрастании численности мыши могут опустошить поле).

• «И напала саранча на всю землю Египетскую, и легла по всей стране Египетской в великом множестве… Она покрыла лицо всей земли, так что земли не было видно, и поела всю траву земную и все плоды древесные. . . » (Исход. Гл. 10).

• резкое возрастание численности популяций может быть обусловлено: сезонной динамикой, цикличностью, нарушением равновесия между хищниками и жертвами в экосистеме

• Во всех живых организмах заложена программа сверхвысокого размножения (планета может быть заселена потомками одного одуванчика за 10 лет или сплошным слоем бактерий за сутки

Понятие об экологической нише • популяция занимает определенное место в экосистеме (растение приурочено к конкретному ярусу, вид животных имеет определенный пищевой рацион, место размножения и укрытия и т. д. • Совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование популяции в экосистеме, называется его экологической нишей.

• Экологическая ниша не может быть пустой. Если ниша пустеет в результате вымирания какого-то вида, то она тут же заполняется другим видом. • теория акклиматизации (переселении организмов в совершенно новые для них места)

• многие исследователи считают, что интродуцирование чужеродных видов биологическое загрязнение (новые виды часто вытесняют аборигенные)

• в 1839 году в Австралию был завезен кактус-опунция. Скорость размножения в благоприятных условиях увеличилась: в конце 19 в. - 4 млн. га, в 1920 году – 24 млн. га. Гибли лучшие пастбища • в 1925 году из Аргентины и Уругвая завезли маленькую бабочку – кактусовую огневку, гусеница которой питается мякотью кактуса.

• В Бразилии - война африканским улиткам, угрожающим не только сельскохозяйственным плантациям, но и здоровью людей, являясь переносчиками желудочно-кишечных инфекций и менингита.

• Таким образом, • все естественные биоценозы имеют собственные законы функционирования и развития. • Любое сообщество живых организмов основано на количественной регуляции одних видов другими