Введение. Предмет и задачи экологии. Общие понятия о биосфере. Типы веществ (по Вернадскому В. И. ) (доц. к. г. н. Доценко И. В. ).
Термин «экология» образован от двух греческих слов ( «ойкос» – дом, жилище, родина, и «логос» – наука), означающих дословно «наука о местообитании» . В более общем смысле экология – это наука, изучающая взаимоотношение организмов и их сообществ с окружающей их средой обитания (в том числе многообразия взаимосвязей их с другими организмами и сообществами). Термин «экология» предложил Э. Геккель в 1866 г. для обозначения биологической науки, изучающей взаимоотношения животных с органической и неорганической средами. С того времени представление о содержании экологии претерпело ряд уточнений, конкретизаций. В настоящий момент экологию необходимо рассматривать как комплексное научное направление, которое обобщает, синтезирует данные естественных и социальных наук о природной среде и взаимодействии ее с человеком и человеческим обществом. Э. Геккель Владимир Иванович Вернадский
Структура современной экологии. Экология может быть разделена на теоретическую и прикладную по сферам деятельности человека. Прикладная экология включает промышленную (инженерную) экологию, технологическую, сельскохозяйственную, химическую, медицинскую, промысловую, геохимическую, рекреационную экологию и др. Прикладные аспекты экологической науки служат основой для развития технической инженерной дисциплины — охраны окружающей среды.
Структура общей (биологической) экологии Разделы экологии факториальная экология Их содержание Учение о факторах среды и закономерностях их действия на организмы Экология организмов, или аутэкология Популяционная экология, или демэкология Взаимодействия между отдельными организмами и факторами среды или средами жизни Взаимоотношения между организмами одного вида (в пределах популяций) и средой обитания. Экологические закономерности существования популяций Учение об Взаимоотношения организмов разных видов (в пределах экосистемах биоценозов) и среды их обитания как единого целого. (биогеоценозах), или Экологические закономерности функционирования синэкология экосистем Учение о биосфере Роль живых организмов (живого вещества) и продуктов их (глобальная жизнедеятельности в создании земной оболочки (атмосферы, экосистема) гидросферы, литосферы), ее функционировании
В общетеоретическом плане к задачам науки относятся: 1. разработка общей теории устойчивости экологических систем; 2. изучение экологических механизмов адаптации к среде; 3. исследование регуляции численности популяций; 4. изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания; 5. исследование продукционных процессов; 6. исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости; 7. моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время: · прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека; · улучшение качества окружающей природной среды; · сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов. · Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районов. Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы. Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего и «возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса» .
Методы экологических исследований. Полевые, лабораторные и экспериментальные исследования. Это изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нём, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на констелляцию внешних факторов, т. е. на совместное воздействие этих факторов при строгом учёте сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность.
Математические методы и моделирование. При экологическом исследовании, которое обычно поводится на определённом количестве особей, изучаются природные явления во всём их разнообразии: общие закономерности, присущие макросистеме, её реакции на изменение условий существования и др. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи из всей популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики даёт возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайные отклонения или закономерности) и получить объективное представление о всей популяции. Однако как только было установлено, что все биологические системы, в том числе и надорганизменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные с такими областями математики, как теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления, теория чисел, матричная алгебра. В последнее время широкое распространение получило моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных системах различных процессов, свойственных живой природе. Так, в «модельных условиях» были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, искусственные лёгкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и др. В различных областях биологии широко применяются так называемые живые модели. Несмотря на то что различные организмы отличаются друг от друга сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они то и становятся живыми моделями. Основной задачей биологического моделирования является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры и функции биологических систем. сущность этого метода заключается в том, что вместе с оригиналом, т. е. с какойто реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В противном случае полученные результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.
Учение Вернадского о биосфере. Перед современным обществом стоит задача сохранить природные богатства сегодня и предупредить отрицательные последствия в будущем. Для этого необходимо изучить многообразные процессы, постоянно протекающие в природе. Основой является учение о биосфере Земли. Суть учения о биосфере заключается в то, что биосфера это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов. Более того биосфера представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы. Биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую все живое вещество и область его распространения (среду обитания). Верхняя граница биосферы — защитный озоновый слой в атмосфере на высоте 20— 25 км, выше которого жизнь невозможна ввиду воздействия ультрафиолетового излучения. Нижней границей биосферы являются: литосфера до глубины 3— 5 км и гидросфера до глубины 11— 12 км. Биосфера включает в себя: 1) Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы). 2) Тропосфера (нижний слой атмосферы). 3) Гидросфера (океаны, моря, реки и т. д. ). 4) Литосфера (верхняя часть земной коры). Возраст биосферы около 4 млрд. лет.
Биосфера со времени возникновения прошла несколько этапов эволюционного развития: от первоначального круговорота органического вещества к биологическому круговороту — непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти. В процессе развития биосферы выделяют 3 этапа : Биосфера (где человек воздействовал на природу незначительно. Возраст человечества примерно 1, 5 млн. лет). Биотехносфера Современная биосфера - это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника - это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос - каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем , какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно , что следует научиться управлять процессами между человеком и природой так , чтобы они были взаимовыгодны. Ноосфера - сфера разума. Это понятие ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 году, а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование - есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.
Вернадский выделяет в биосфере глубоко отличных и в то же время генетически связанных частей: 1) Живое вещество - живые организмы. 2) Биогенное вещество - продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть и т. п. ). 3) Косное вещество - горные породы (минералы, глины. . . ). 4) Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды). 5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т. д. ). 6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии. 7) Вещество космического происхождения - метеориты, протоны, нейтроны, электроны. Живое вещество - это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. видов организмов , из них 0, 5 - растения, 1, 5 - животные и микроорганизмы (в том числе 1 млн. видов насекомых).
Классификация живой природы НЕКЛЕТОЧНЫЕ ACELLULARIA Вирусы (Vira) Мельчайшие неклеточные частицы, состоящие из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида). Форма палочковидная, сферическая и др. Размер 15 - 350 нм и более. Открыты (вирус табачной мозаики) Д. И. Ивановским в 1892 году. Вирусы - внутриклеточные паразиты: размножаясь только в живых клетках, они используют их ферментативный аппарат и переключают клетку на синтез зрелых вирусных частиц - вирионов. Распространены повсеместно. Вызывают болезни растений, животных и человека. Резко отличаясь от всех других форм жизни, вирусы, подобно другим организмам, способны к эволюции. Иногда их выделяют в особое царство живой природы. Вирусы широко применяются в работах по генетической инженерии, канцерогенезу. Вирусы бактерий (бактериофаги) - классический объект молекулярной биологии. Риккетсии (Rickettsiae) Бактерии, размножающиеся подобно вирусам только в клетках хозяина. Аэробы. Некоторые подвижны. Возбудители риккетсиозов (брюшного тиaфа, ку-лихорадки и др. ) человека и животных. КЛЕТОЧНЫЕ CELLULARIA Безъядерные, (Prokaryota, Archikaryota) доядерные (прокариоты) Организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром. Генетический материал в виде кольцевой цепи ДНК лежит свободно в нуклеотиде и не образует настоящих хромосом. Типичный половой процесс отсутствует. К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (синезеленые водоросли). В системе органического мира прокариоты составляют надцарство. Ядерные (Eukaryota, Nuclearia) (эукариоты) Организмы (все, кроме бактерий, включая цианобактерии), обладающие оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключен в хромосомах. Клетки эукариотов имеют митохондрии, пластиды и другие органоиды. Характерен половой процесс.
Таблица биомассы организмов Земли. Среда Суша Океаны Суммарный Организмы Масса, 1012 т % Растения 2, 4 99, 04 Животные 0, 02 0, 825 Растения 0, 0002 0, 008 Животные 0, 003 0, 124 Общая биомасса 2, 4232 100 По В. И. Вернадскому, живое вещество является носителем свободной энергии биосферы и связано с неживым веществом биогенной миграцией атомов. Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающих около 500 тыс. видов растений и 1, 5 млн. видов животных, чрезвычайно велика и составляет, примерно, 2, 4232 х1012 т. Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8, 8 х1011 т. Через эти живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы.
Наряду со знанием веса живого вещества, большое значение приобретают показатели скорости его образования и перемещения (Океанология, т. 2, 1977). Для оценки ежегодного образования и перемещения живого вещества применяются значения первичной продукции, т. е. вес живого вещества, созданного за год. Первичная продукция экосистемы - скорость образования биомассы продуцентами (авто- и хемотрофами) в пересчете на единицу площади или объема (Дж/м 2 х сут или кг/га × год). Суммарную, фиксированную энергию в процессе фотосинтеза называют валовой первичной продукцией (ВПП). Часть ее теряется на диссимиляцию и их разность называют чистой первичной продукцией (ЧПП). Скорость образования биомассы гетеротрофами называют вторичной продукцией. вещества в год, океана - 50 - 60 млрд. т/год (Гершанович, Муромцев, 1982; Кобленц-Мишке, 1977). Таким образом, хотя океан и занимает 2/3 поверхности Земли, он дает только 1/3 всей его продукции.
Круговороты вещества и энергии в биосфере. Принципы экологической классификации организмов.
Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергии Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Большой круговорот – это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что – то новое что со временем приводит к весьма значительным изменениям. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. Малый круговорот веществ в биосфере, в отличие от большого совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы - главный и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь, на нашей планете обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Резервный фонд и обменный фонд вещества в круговоротах.
Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км 3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.
Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО 2 в атмосфере и развитию парникового эффекта. Скорость круговорота СО 2, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (О 2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т. д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши - почти 3/4, остальная часть - фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота - около 2 тыс. лет. Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.
Круговорот азота. Запас азота (N 2) в атмосфере огромен (78% от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NH 4+ или NO 3 -. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр. ) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов, редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу. Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, и вызывает заболевания человека.
Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО 43 -) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др. ) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву. При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводят к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др. ). С другой стороны, поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов как фосфор, азот, сера и др. вызывает бурное развитие синезеленых водорослей и других водных растений ("цветение" воды) и эвтрофикацию водоемов. Но большая часть фосфора уносится в море. В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин.
Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие-окислители. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (Fe. S 2 и др. ), в растворах - в форме иона (SO 42 -), в газообразной фазе в виде сероводорода (H 2 S) или сернистого газа (SO 2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков. В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т. д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H 2 S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками. Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO 2), который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.
Повторяющаяся миграция и превращение химических элементов в косной и органической природе при активном участии живого вещества - биогеохимический круговорот (малый круговорот вещества). Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Кроме того, она теряется, путем отражения поглощается, почвой расходуется на транспирацию воды и т. д. в ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Важным во взаимоотношениях организмов является пищевой — трофический фактор (от греч. trophe— пища). Первичное органическое вещество создают зеленые растения (продуценты — производители), используя солнечную энергию. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. Потребителей (консументов) можно разделит на два порядка: I — организмы, питающиеся растительной пищей; II — организмы, питающиеся животной пищей. Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся разлагающимися организмами, бактерии и грибы. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества), поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.
По участию в круговороте живые организмы подразделяются на продуценты, консументы и редуценты. продуцент консумент редуцент
По характеру питания живые организмы подразделяются на автотрофы, гетеротрофы, миксотрофы. Пищевая (трофическая) цепь — ряд организмов, в котором каждое предыдущее звено является пищей для последующего, т. е. связаны друг с другом отношениями: пища— потребитель. Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ. переносе При каждом от звена к звену теряется большая часть (до 80— 90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла (правило 10% Линдемана). По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4— 5. Пастбищная и детритная цепи.
Экологическая пирамида – графическое изображение количественных соотношений между трофическими уровнями биоценоза - продуцентами, консументами и редуцентами, выраженное в их численности, биомассе или энергии (пирамиды чисел, биомасс, энергий).
Скачать презентацию Введение Предмет и задачи экологии Общие понятия о
Экология 1.pptx