Лекции по общей экологии
КУРС ЛЕКЦИЙ
по учебной дисциплине
“ЭКОЛОГИЯ”
Экология – наука будущего, и возможно, само существование человека на нашей
планете будет зависеть от ее прогресса.
Ф. Дрё
Лекция № 1
Тема: Предмет, задачи, методы экологии. Краткий очерк истории
экологии.
1.1.Понятие экологии.
1.2.Структура экологии.
1.3.Методы экологических исследований.
1.4. История становления и развития экологии как науки.
Экология – это наука о взаимоотношениях живых организмов между
собой и со средой их обитания. Термин «экология» впервые ввел немецкий
биолог Эрнст Геккель в 1866 году. Само слово восходит к греческому
«ойкос» – дом,жилище,- поэтому экологию можно трактовать как изучение
«домашней жизни» живых существ. За рубежом входу определение науки,
данное Кребсом (1972):«Экология – это научное познание взаимодействий,
определяющих распространение и численность организмов».
На сегодняшний день существует более 140 определений науки Экология.
Вот лишь некоторые из них:
«Экология – одна из биологических наук, изучающих живые системы в их
взаимодействии со средой обитания»;
«Экология – комплексная наука, синтезирующая данные естественных и
общественных наук о природе и взаимодействии ее и общества»;
«Экология – совокупность научных и практических проблем
взаимоотношений человека и природы»;
«Экология– наука о структуре природы,характеризующаяся энергетическим
подходом к исследования природных явлений» – Е. Одум (1963);
«Современная экология – это наука о путях приспособления видовых
популяций к изменяющимсяусловиям внешней среды, наука о становлении,
преобразовании и развитии видовых популяций, о законах их интеграции в
биологические системы более высокого порядка, специфически
приспособленные к наиболее эффективному использованию энергии в
конкретных условиях среды» – С.С. Шварц (1967).
Предметом экологии являются объекты организменного, популяционно-
видового, биоценотического и биосферного уровней организации в их
взаимодействии с окружающей средой.
Задачи общей экологии – изучение двусторонних связей в системах:
организм – среда; популяция – среда; сообщество – среда; биосфера –
географическая оболочка; а также выяснение особенностей внутривидовых и
межвидовых отношений. В общей (классической)экологии можно выделить
крупные разделы (уровни экологии): экологию особей (аутэкологию);
экологию популяций (демэкологию) и экологию сообществ (синэкологию).
Каждый из разделов имеет свои собственные задачи. Аутэкология
изучает отношения организмов к условиям среды. В этом же разделе
экологии рассматриваются характеристики факторов среды и способы
приспособления (адаптаций) организмов к различным условиям среды.
Демэкология – это экология отдельных видов, представленных в
природе популяциями (популяция – есть форма существования вида).
Синэкология – экология сообществ.
Среди методов используемых в экологии, по особенностям их
применения, можно выделить как общенаучные, так и частные, только
экологические методы. В соответствии с другой классификацией, методы
экологии можно подразделить на: лабораторные и полевые. Последние, в
свою очередь, делятся на следующие методы: маршрутные, стационарные,
описательные и экспериментальные. Полевые исследования в экологии
наиболеезначимы, поскольку именно они позволяют изучать экологические
явления непосредственно в природной среде. Они позволяют установить
взаимосвязи организмов со средой, выявить экологические факторы среды и
определить адаптации живого к среде.
Среди общенаучных методов выделяют: наблюдение и описание;
сравнительный метод; исторический метод; экспериментальный метод; метод
моделирования; статистический метод, и т.д.
Наблюдение и описание – по сути методы неразделимые, заключаются в
длительном отслеживании состояния объекта или явления и последующей
записи, фиксирующей всевозможные его/их изменения.
Сравнительный метод – основан на анализе сходства и различия изучаемых
объектов и явлений.
Исторический метод – заключается в анализе хода развития исследуемого
объекта.
Экспериментальный метод – помогает изучать объекты и явления природы
в заданных условиях.
Метод моделирования – делает возможным описание объектов и явлений
природы относительно простыми моделями, воссоздаваемыми в
лабораторных условиях. Модель – это абстрактное описание какого-то
явления реального мира. Модели используются для прогнозирования
динамики явления, дляопределения воздействия экологических факторов на
объект, для оценки последействия антропогенного вмешательства в среду.
Статистический метод– позволяет усреднять полученные данные, и тем
самым получать более объективную информацию о количественных и
меристических признаках изучаемых природных объектов и явлений.
Среди экологических методов в науке чаще сталкиваешься с методом
мониторинга; с микроскопическими методами исследования; с методом
изоферментного анализа; с рентгеноструктурным анализом; с методом
биоморфологического анализа; с методом группового анализа; с методом
морфофизиологических индикаторов; с интродукционным методом; с
методами индикации загрязнения среды; с методами инвентаризации
природных ресурсов; с методом дистанционного исследованияэкосистем; с
методом атомноадсорбционной спектрофотометрии и другими.
Мониторинг – комплексная система наблюдений, оценки и прогноза
изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенных
факторов. Основные задачи мониторинговых исследований: наблюдение за
состоянием биосферы; оценка и прогноз состояния природной среды;
выявление факторов и источников антропогенных воздействий на
окружающую среду и пр. Выделяют следующие типы мониторинга:
глобальный (биосферный), геофизический, климатический, биологический,
экологический. Основа сети глобального мониторинга – биосферные
заповедники. Экологический мониторинг – основа глобального мониторинга,
– он включает наблюдения за различными компонентами биосферы, и в
первую очередь за растительными и животными организмами.
Микроскопический метод – позволяет оценивать воздействие факторов
среды на организм на анатомическом уровне. Для исследований сегодня
применяется не только световой микроскоп, но и электронный микроскоп,
сканирующий микроскоп, и компьютерные микроскопические приставки.
Изоферментный анализ дает возможность определить ферменты у особей
одного и того же вида различающихся по морфолого-физиологическим
признакам, с целью установления родства между ними. Наличие или
отсутствие определенного изофермента широко используется как
генетический маркер для определения принадлежности особи к
определенной группе, а анализ частот изофермента одного белка – для
определения границ популяций.
Рентгеноструктурный анализ – используется для получения информации о
микроструктуре аморфных объектов. Основан на возможности
рентгеновских лучей проникать сквозь материалы. Широко используется
сегодня для изучения структуры белковой молекулы, и ее изменений под
воздействием вирусов и мутагенов.
Биоморфологический анализ – определение состава и соотношения
жизненных форм в конкретном таксоне или фитоценозе.
Метод группового анализа – используется в целях характеристики таких
признаков популяции, которые в силу относительно высокого варьирования
у отдельных особей, не поддаются точному учету. Метод часто используется
при определении возраста животных. Оценка признака производится путем
изучения кривых его распределения в популяции.
Метод морфофизиологических индикаторов – позволяет по отдельным
показателям, установленным для организма, оценить общее состояние особи.
Например, количество гемоглобина и эритроцитов, содержание протеинов в
плазме, – могут свидетельствовать о недоедании животного.
Инвентаризация природных ресурсов – это учет количества, качества,
динамики запасов и степени эксплуатации естественных ресурсов.
Инвентаризация включает картографирование объектов исследования,
статистический учет и учет качественного состава, степень эксплуатации и
определение реж
Индикация загрязнений среды – качественное обнаружение и
количественное определение физико-химических веществ в объектах
окружающей природной среды. Помимо ландшафтных индикаторов (снег,
торф, вода) существуют биоиндикаторы, позволяющие определять степень
загрязнения среды различными антропогенными токсикантами. Например,
хвойные растения являются биоиндикаторами на кислые осадки, являющиеся
выбросами ТЭС, работающих на жидком и газообразном топливе.
Нарушенияхвойных породфиксируютсяв радиусе 10-12 км от предприятия.
В радиусе 3 км происходит их полное отмирание и замена
мелколиственными породами. Сосна обыкновенная и ель европейская
являются индикаторами на загрязнение воздуха диоксидом серы и
фтористым водородом. Так, при загрязнении атмосферы диоксидом серы у
сосны происходит побурение кончиков игл хвои.
Интродукция – комплекс работ по переносу растительных или животных
объектов из дикого состояния в состояние культуры. Интродукция –
начальный этап акклиматизации, являющейся одной измер по обогащению
местной флоры или фауны, ипо сохранению биоразнообразия на конкретной
территории.
Дистанционное исследование экосистемы – это получение информации о
природных экосистемах бесконтактными (телеметрическими) методами, с
помощью спутников, самолетов, космических кораблей. Спутниковое
дистанционное зондирование позволяет дать оценку степени воздействия
антропогенных факторов на растительный покров суши; выявить влияние
лесных пожаров на природные экосистемы; помогает определить первичную
продуктивность и биомассу фитоценозов. Так, например, с помощью
спутника «Космос» установлены состояние лесо-болотного комплекса
Западной Сибири и степень воздействияна наго хозяйственной деятельности
человека.
Атомноадсорбционная спектрофотометрия – это комплекс методов,
позволяющий в лабораторных условиях оценить содержание в
биологических объектах любых элементов из таблицы Менделеева, в том
числе содержание тяжелых металлов.
Термин «Экология» появился значительно позднее времени рождения
самой науки, которое датируется приблизительно Ш веком до нашей эры.
Первыми экологами можно назвать поэтов и философов Древней Греции и
Древнего Рима: Платона, Аристотеля,Теофраста, Сенеку, Плиния Старшего.
Так, например, в трудах Аристотеля (385-322 гг до н.э.) имеется
классификация животных, основу которой составляют группы организмов
связанные обитанием в разных средах: водные, сухопутные, земноводные.В
трудах Теофраста Эрезийского (371-280 гг до н.э.) содержится много
сведений по экологии растений. Именно он обрабатывал те растительные и
частично животные материалы, которые привозил из своих завоевательных
походов Александр Македонский. В главном труде своей жизни
«Исследования о растениях» Теофраст излагает наблюдения за зависимостью
формы роста растения от климата, почвы и способов возделывания.
има охраны.
5. Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов,
например уран, торий, радий, радон, углерод
14
С, и др.
6. Атомы веществ рассеянных в природе – отдельные атомы
элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии:
молибден, кобальт, цинк, медь, золото и др.
7. Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на
Землю из космоса (метеориты, космическая пыль).
Живое вещество планеты обладает уникальными свойствами. Нет ни
одного элемента из таблицы Менделеева,который бы отсутствовал в живых
системах. Эволюция видов в природе идет в направлении, усиливающем
биогенную миграцию химических элементов. Живые организмы все шире
распространяются по планете, стимулируя перераспределение энергии и
вещества.
Все разнообразие живых организмов сегодня заключено в термин
«биоразнообразие». Чаще понятие «биоразнообразие» в науке и
естественнонаучном образовании используют при характеристикемножества
видов животных, растений, грибов и микроорганизмов, сосуществующих
ныне на Земле и населяющих все среды жизни: водную, наземно-воздушную,
почвенную и организменную. Согласно представлениям зарубежных и
российских ученых-биологов биоразнообразие живых существ – это
результат очень длительногопроцессаэволюции. Ключом к егопониманию
служат данные палеонтологической летописи. Они свидетельствуют о том,
что в течение всей истории Земли на ней появлялись, переживали время
своего расцвета ивымирали многие виды живых существ.Если учесть, что
возраст планеты составляет примерно 4,5 млрд. лет, а продолжительность
существования биосферы насчитывает 3,85 млрд., то становится понятным
утверждение палеонтологов, считающих, что количество видов живых
организмов, ныне населяющих Землю, составляет только тысячную долю от
общего числа видов, обитавших на планете за весь прошедший период со
времени возникновения жизни. Но и сегодня, грандиозны масштабы
биоразнообразия живых существ. Они составляют несколько миллионов
видов организмов, входящих в состав четырех царств: царства Бактерий
(Bacteria, Bacteriobionta); царства Растений (Plantae, Phitobiota, Vegetabilia);
царства Животных (Animalia, Zoobionta)и царства Грибов (Fungi,Micobionta,
Mycota). *(В ряде учебников зарубежных авторов, например, в книге
«Введение в биологию» Памелы Кемп и Карена Армса (1988), выделяется
пять царств: Бактерий или Монер; Протистов; Растений; Животных и Грибов.
Некоторые авторы, в частности Б.М. Медников (1994) считают возможным
объединять в отдельное царство (Vira) все виды вирусов; другие, например
С.И. Колесников (2004) приводит 2 классификации царств, в одной из
которых фигурирует царство Архебактерии и царство Прокариотические
водоросли, а во второй царство Дробянки, которое включает в себя три
подцарства: Бактерии, Архебактерии и Цианобактерии). Отечественные и
зарубежныебиологи полагают, что сегодня на планете обитает свыше одного
миллиона видов животных; около половины миллионавидов растений; более
70 тысяч видов грибов и лишайников и около 12 миллионов видов бактерий
и цианобактерий (Медников, 1994; и др.). Общепризнанно, что видовое
разнообразие – это важнейший показатель состояния биосферы и
составляющих ее экосистем.Поэтому внастоящее время биологи и экологи
во всех странах мира путем регулярного проведения инвентаризации
видового разнообразия флоры и фауны пытаются осуществлять контроль и
принимать действенныемеры по сохранения биоразнообразия растительного
и животного мира отдельных территорий, регионов, стран, континентов и
всей планеты в целом.
Как возникло биоразнообразие? Этот вопрос возникает из проблемы
происхождения жизни на Земле. В.И. Вернадский был сторонником
гипотезы стационарного состояния, которая заключалась в положении о
том, что жизнь существовала всегда и будет существовать вечно. Кроме этой
гипотезы на сегодняшний день существуют следующие:
1. Креационизм – жизнь создана богом;
2. Панспермия – жизнь на нашу планету занесена из космоса, например,
на метеоритах;
3. Самозарождение – новые виды возникают благодаря перерождению
старых, в том числе и из неживой материи – единственная гипотеза
опровергнутаяначинаяс опытов Ф. Реди и заканчивая разработками Л.
Пастера;
4. Абиогенный синтез– возможность зарождения живого из неживогов
бескислородной атмосфере Земли, с последующей биохимической
эволюцией. В 1953 г С. Миллер (США) в лаборатории получил
аминокислоты при нагревании морской воды в запаянной колбе.
Причем в процессекипячения пары воды пропускались в стеклянную
трубку, сначала подвергавшуюсявоздействию электрических разрядов,
имитирующих молнии, а затем охлаждавшейся, за счет
вмонтированного холодильника. Сегодня опыт Стенли Миллера
можно повторить, что доказывает возможность подобного процесса.
Однако как далееизотдельных аминокислот появилась клетка и пусть
самые примитивные, но организмы? На этот вопрос пытались дать
ответ ученые разных стран на протяжении всего ХХ века:
В 1924 году А.И. Опарин предположил возможность образования в
первичном океаническом бульоне – коацерватов – белково-липидных
капель; Э. Геккель (1909) говорил о «голобиозе» – первичном
единовременном возникновении клеток; А. Минчин (1915) предполагал
первичность хроматина в теории «генобиоза»; П. Деккер (1970) ввел
термин «биоид», под которымпонимал структуру способную к эволюции,
подверженную мутациям и приобретающую все новые биты информации;
М. Эйген (80-е годы ХХ века) считал возможным существование
«спаренных циклов» или «гиперциклов» – комплексануклеиновых кислот
и белка, который позже В.А. Ратнером (1986) был назван молекулярно-
генетической системой управления (МГСУ)