Предмет, задачи и объекты изучения экологии, структура современной экологии. Краткая история развития

Экология (греч. oikos -- жилище, местопребывание, logos -- наука)-- биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Этот термин был предложен в 1866 г. немецким зоологом Эрнстом Геккелем. Становление экологии стало возможным после того, как были накоплены обширные сведения о многообразии живых организмов на Земле и особенностях их образа жизни в различных местообитаниях и возникло понимание, что строение, функционирование и развитие всех живых существ, их взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые необходимо изучать.

Объектами экологии являются преимущественно системы выше уровня организмов, т. е. изучение организации и функционирования надорганизменных систем: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы в целом. Другими словами, главным объектом изучения в экологии являются экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания.

Задачи экологии меняются в зависимости от изучаемого уровня организации живой материи. Популяционная экология исследует закономерности динамики численности и структуры популяций, а также процессы взаимодействий (конкуренция, хищничество) между популяциями разных видов. В задачи экологии сообществ (биоценологии) входит изучение закономерностей организации различных сообществ, или биоценозов, их структуры и функционирования (круговорот веществ и трансформация энергии в цепях питания).

Главная же теоретическая и практическая задача экологии -- раскрыть общие закономерности организации жизни и на этой основе разработать принципы рационального использования природных ресурсов в условиях все возрастающего влияния человека на биосферу.

Взаимодействие человеческого общества и природы стало одной из важнейших проблем современности, поскольку положение, которое складывается в отношениях человека с природой, часто становится критическим: исчерпываются запасы пресной воды и полезных ископаемых (нефти, газа, цветных металлов и др.), ухудшается состояние почв, водного и воздушного бассейнов, происходит опустынивание огромных территорий, усложняется борьба с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур. Антропогенные изменения затронули практически все экосистемы планеты, газовый состав атмосферы, энергетический баланс Земли. Это означает, что деятельность человека вступила в противоречие с природой, в результате чего во многих районах мира нарушилось ее динамическое равновесие.

Для решения этих глобальных проблем и прежде всего проблемы интенсификации и рационального использования, сохранения и воспроизводства ресурсов биосферы экология объединяет в научном поиске усилия ботаников, зоологов и микробиологов, придает эволюционному учению, генетике, биохимии и биофизике их истинную универсальность.

В круг проблем экологии включены также вопросы экологического воспитания и просвещения, морально-этические, философские и даже правовые вопросы. Следовательно, экология становится наукой не только биологической, но и социальной.

Методы экологии подразделяются на полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) и экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используют моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования.

Для изучения и прогнозирования природных процессов широко используется также метод математического моделирования. Такие модели экосистем строятся на основе многочисленных сведений, накопленных в полевых и лабораторных условиях. При этом правильно построенные математические модели помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте. Однако сама по себе математическая модель не может служить абсолютным доказательством правильности той или иной гипотезы, но она служит одним из путей анализа реальности.

Сочетание полевых и экспериментальных методов исследования позволяет экологу выяснить все аспекты взаимоотношений между живыми организмами и многочисленными факторами окружающей среды, что позволит не только восстановить динамическое равновесие природы, но и управлять экосистемами.

* Экология - это наука, которая занимается изучением условий существования живых организмов и полной взаимосвязи между средой и организмами. С самого начала экология развивалась как отдельная составная отрасль биологической науки в очень тесной связи с иными естественными науками - физикой, химией, географией, геологией, математикой.

Государство вкладывает огромные деньги в охрану природы, финансовые группы предлагают обеспечение контракта компаниям, которые эту функцию выполняют, но нельзя охранять природу, использовать ее, абсолютно не зная, как она устроена, а также по каким законам она развивается и существует, как реагирует на различные воздействия человека, какие допустимые нагрузки на природные системы позволяет себе общество для того, чтобы их не разрушить. Все это представляет своеобразный предмет экологии.

Необходимо знать, что главным предметом экологии есть структура или совокупность связей между средой и организмами. Основный объект изучения в экологии - это отдельные экосистемы, то есть единые природные комплексы, которые были образованы средой обитания и живыми организмами. Кроме этого, в сферу ее компетенции также входит изучение видов организмов (так называемый организменный уровень), их популяции, то есть совокупностей особей единого вида (так называемый популяционно-видовой уровень) и в целом биосферы (особый биосферный уровень). Главной, традиционной частью экологии как отдельной биологической науки есть общая экология, изучающая общие закономерности взаимоотношений отдельных живых организмов и среды (включая и самого человека как биологического существа).

В составе экологии принято выделять такие главные разделы:

• - аутэкологию, которая исследует индивидуальные связи отдельного организма со всей окружающей средой;
• - популяционную экологию, главной задачей которой является изучение динамики и структуры популяций отдельных видов. Популяционную экологию принято также рассматривать и как отдельный раздел аутэкологии;
• - синэкологию (биоценологию), которая занимается изучением взаимоотношений сообществ, популяций, а также экосистем со средой.

Для всех направлений самым главным есть изучение выживания в окружающей среде живых существ и, естественно, перед ними стоят задачи исключительно биологического свойства - выучить различные закономерности адаптации организмов к определенной окружающей среде, саморегуляцию, а также устойчивость биосферы и экосистем.

Структура современной экологии. Современная экология имеет сложную и разветвленную структуру. Около 90 направлений (разделов и подразделов) сформировались на протяжении последних десятилетий и представляют собой отрасли человеческой деятельности, где происходят процессы экологизации. Наука об окружающей среде (мегаэко-логия, общая экология, панэкология, неоэкология) объединяет два основных направления: теоретический (классический) и прикладной. Классическая экология охватывает все разделы современной биоэкологии. В зависимости от уровня и предмета исследований различают аутэкологию (экология организмов), демэкологию (экология популяций), синэкологию (экология сообществ). Кроме того, сюда относятся такие направления, как палеоэкология, теория заповедного дела, основы биоиндикации, радиационная экология, экологическая токсикология и др. Осложнение взаимоотношений человека и природы обусловило появление ряда прикладных экологических направлений, которых значительно больше, чем в блоке классической биоэкологии. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы, методы предотвращения этих процессов, способы рационального природопользования. Прикладная экология состоит из трех основных блоков - геоэкологического, техноэкологического и социоэкологического, каждый из которых имеет ряд ответвлений. В частности, геоэкология изучает экологические аспекты функционирования сфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, педосферы), включает ландшафтную и геологическую экологию. Техноэкология изучает и классифицирует техногенные загрязнения окружающей среды, умение предотвращать их и бороться с последствиями негативных по отношению к природе действий человека. Она выясняет эко-логические последствия влияния разных видов хозяйс-твенной деятельности на окружающую среду. В блоке техноэкологии выделены такие направления, как стандартизация в сфере охраны окружающей среды и экотехника. Социоэкологический блок рассматривает особенности современных взаимоотношений общества и природы и способы их гармонизации. Он охватывает экологи­ческое образование, культуру, право, политику, менеджмент, бизнес, этническую и демографическую экологию, урбоэкологию, экологию человека. Экономика природопользования и национальная и глобальная экополитика являются одними из основных обобщающих разделов экологии. Экономика природопользования изучает методы наиболее эффективного использования человеком природных условий и природных ресурсов с целью поддержания динамического равновесия биосферы. Национальная экополитика базируется на международной стратегии устойчивого развития, провозглашенной на Международной конференции ООН по окружающей среде и развитию, состоявшейся в Рио-де-Жанейро, и учитывает национальные особенности современных экологических проблем и подходы к их решению. Место современной экологии и системе наук. Наука об окружающей среде объединил ав себе отдельные направления и подразделы естественных, гуманитарных и технических наук. Поэтому ее можно отнести к комплексной интегрирующей науке, развивающейся на пересечении указанных трех основных научных направлений и привлекающей в научный арсенал их теоретические и практические наработки. Экология, которая по своему происхождению является естественной наукой, приобретает гуманитарно-технологические черты в процессе эволюционного развития и трансформируется в междисциплинарное направление

Краткая история экологии. Экология - это наука о связях, поддерживающих устойчивость жизни в окружающей среде. Жизнь - самое сложное явление в окружающем нас мире. Ее изучает множество наук, складывающихся в совокупности в дифференцированную и многоплановую систему биологии. Однако и достижения многих других, не биологических наук (например, механики, оптики, коллоидной химии, физической географии и т. д.) вносят свой вклад в понимание жизни. Экология в этой многоликой системе знания о природе занимает свое, особое место. В центре ее внимания не только биологические объекты, но и те условия, которые необходимы для их существования. Поэтому экология, имея корни в биологии, вторгается и в другие области знания, пытаясь постичь законы взаимодействия живых и неживых систем. Как отдельная наука экология начала оформляться всего около полутора столетий назад и прошла бурный путь развития, в течение которого способствовала формированию представлений о сложности и вместе с тем упорядоченности организации жизни на Земле.

Представления о том, что живые существа не только реагируют на изменения окружающей среды, но и материально взаимодействуют с ней, сформировались еще в глубокой древности. Естественно, что в разные времена суть этих взглядов была различной. «Текут наши тела, как ручьи, и материя вечно обновляется в них, как вода в потоке», - писал древнегреческий философ Гераклит. «Жизнь - это вихрь, - утверждал известный зоолог начала XIX столетия Ж. Кювье, - направление которого постоянно и который увлекает всегда молекулы того же сорта, но где индивидуальные молекулы входят и постоянно выходят таким образом, что форма живого тела для него более существенна, чем материя». В науке прочно утвердилось представление, что обмен веществ является одной из самых фундаментальных характеристик жизни. С философской точки зрения живые организмы относятся к так называемым открытым системам, которые поддерживают себя за счет потоков вещества и энергии из окружающей среды. На вопрос о значимости обмена веществ для живой природы впервые попытался ответить в середине прошлого столетия известный физик Э.Шредингер. Он показал, что таким образом организмы компенсируют увеличение энтропии (т. е. перехода молекул тела в хаотическое состояние за счет теплового движения), поддерживая упорядоченность своей организации, и тем самым противостоят смерти.

Другие фундаментальные свойства жизни, относящиеся к связям с окружающей средой, - это способность к отражению и адаптациям, т. е. реакции на изменение условий и возможность подстраивания к ним в определенных рамках. В этих реакциях большое значение имеют не только материально-энергетические, но и информационные потоки. Таким образом, связи, поддерживающие жизнь на Земле, не случайно оказались объектом внимания отдельной науки - экологии. Наука экология сформировалась не сразу и имела длительную предысторию развития. Ее обособление представляет собой естественный этап роста знаний о природе.

Накопление сведений об образе жизни, зависимости от внешних условий, характере распределения животных и растений началось очень давно. Первые попытки обобщения этих сведений мы встречаем в трудах античных философов. Аристотель (384-322 до н. э.) описал свыше 500 видов известных ему животных и рассказал об их поведении: о миграциях, зимней спячке, строительной деятельности, способах самозащиты и т. п. Ученик Аристотеля, «отец ботаники» Теофраст Эрезийский (371-280 до н. э.) привел сведения о зависимости формы и роста растений от разных условий, почвы и климата.

В средние века интерес к изучению природы ослабевает и заменяется господством богословия и схоластики. Великие географические открытия в эпоху Возрождения, колонизация новых стран послужили толчком к развитию систематики. Описание растений и животных, их внешнего и внутреннего строения, разнообразия форм - главное содержание биологической науки на ранних этапах ее развития. Первые систематики - А. Цезальпин (1519-1603), Д. Рей (1623-1705), Ж. Турнефор (1656-1708) и другие сообщали и о зависимости растений от условий произрастания или возделывания. Аналогичные сведения накапливались и о поведении, повадках, образе жизни животных. Постепенно к таким сведениям начали проявлять особый интерес.

Описания жизни животных и растений получили название «естественной истории» организмов. В XVIII в. известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон (1707-1788) выпустил 44 тома «Естественной истории», где он впервые утверждал, что влияние условий (пищи, климата, гнета одомашнивания и т. п.) может стать причиной изменения («вырождения») самих видов.

Помимо накопления сведений об отдельных видах, начали формироваться представления и о глобальных зависимостях в распределении растений и животных. Этому послужили материалы, собираемые во время путешествий, посвященных изучению далеких стран. В XVIII в. много таких путешествий было организовано и по неизведанным краям России. В трудах С. П. Крашенинникова (1711-1755), И. И. Лепехин а (1740-1802), П. С. Палласа (1741-1811) и других российских географов и натуралистов указывалось на связь изменения климата, растительности и животного мира на обширных пространствах страны. Первые попытки выявить общие закономерности во влиянии климата на растительность земного шара принадлежат немецкому естествоиспытателю А. Гумбольдту. Его труды (1807) положили начало развитию нового направления в науке - биогеографии. А. Гумбольдт ввел в науку представление о том, что «физиономия» ландшафта определяется внешним обликом растительности. В сходных климатических условиях у растений разных таксономических групп вырабатываются сходные «физиономические» формы, и по распределению и соотношению этих форм можно судить о специфике физико-географической среды. Появились первые специальные работы, посвященные влиянию климатических факторов на распространение и биологию животных, например книга немецкого зоолога К. Глогера об изменениях окраски птиц под влиянием климата (1833). К. Бергман выявил географические закономерности в изменении размеров теплокровных животных (1848). А. Декандоль в «Географии растений» (1855) обобщил все накопленные сведения о влиянии отдельных факторов среды (температуры, влажности, света, типа почвы, экспозиции склона) на растения и обратил внимание на их повышенную пластичность по сравнению с животными. Вся первая половина XIX в. характеризовалась нарастанием интереса к взаимодействию организмов с «условиями». Еще в 1809 г. в «Философии зоологии» французский естествоиспытатель Ж.Б. Ламарк провозгласил идею эволюции всего живого мира, его постоянного развития от простого к сложному. Одной из причин разнообразия форм на пути этого развития он считал «влияние условий», необходимость для всего живого приспосабливаться к условиям среды. Важную роль условий в выживании и изменениях видов подчеркивал и другой известный французский зоолог Ж. Сент - Илер (1772-1844).

Идеи «единства» организмов с условиями их жизни развивал и горячо защищал профессор Московского университета К. Ф. Рулье (1814-1858). Он пропагандировал необходимость особого направления в зоологии, посвященного всестороннему изучению жизни животных, их сложных отношений с окружающим миром, подчеркивая роль этих отношений в судьбе видов. К. Ф. Рулье впервые обратил внимание на сходство внешнего строения у разных видов, ведущих сходный образ жизни в той или иной среде («земляные», «водные», «воздушные» и др.), положив начало изучению жизненных форм в животном мире. Выделяя «явления жизни особи» и «явления жизни общей» (в том числе «жизнь в товариществе» и «жизнь в обществе»), он, по существу, наметил ряд будущих подразделений экологии. К. Ф. Рулье глубоко повлиял на направление и характер работ своих учеников, которые составили в последующем блестящую плеяду русских натуралистов-экологов (Н. А. Северцов, А. Ф. Миддендорф, А. Н. Бекетов и др.).

В 1859 г. появилась книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Ч. Дарвин показал, что «борьба за существование» в природе, под которой он подразумевал все формы противоречивых связей видов со средой, приводит к естественному отбору, т. е. является движущим фактором эволюции. Стало ясно, что взаимоотношения самих живых существ и связи их с неорганическими компонентами среды («борьба за существование») - большая самостоятельная область исследований. Поэтому не случайно, что вскоре после выхода в свет книги Ч. Дарвина были сделаны попытки оценить сущность и назвать это новое направление.

Термин «экология» ввел известный немецкий зоолог Э. Геккель (1834-1919), который в своих трудах «Всеобщая морфология организмов» (1866) и «Естественная история миротворения» (1868) впервые попытался дать определение сущности новой науки. Слово «экология» происходит от греческого слова oikos, что означает «жилище», «местопребывание», «убежище». Э. Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования. Они частично органической, частично неорганической природы, но как те, так и другие… имеют весьма большое значение для форм организмов, так как принуждают приспосабливаться к себе». По Э. Геккелю, экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов, она призвана исследовать «все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как «борьбу за существование». Среди других названий новой науки в XIX в. часто употреблялось название «экономия природы». Этот термин подчеркивал проблему естественного баланса, «равновесия видов», которая и сейчас является одним из важнейших вопросов экологии.

Ч. Дарвин вычленил три основных направления в борьбе за существование организмов: отношения с физической средой, с особями своего вида, с особями других видов. Выживают и дают потомство не все родившиеся особи, а лишь те, которые способны выдержать напор среды. Теорией естественного отбора Ч. Дарвин переключил внимание со связей «организм - среда» на то, что происходит среди множества организмов в борьбе за существование. Тем самым он фактически заложил основы популяционного мышления, однако в зарождавшейся экологии эти идеи получили развитие только в XX в.

Основным направлением оформившейся науки продолжало оставаться изучение адаптации видов к условиям существования, причем любой организм рассматривался как типичный представитель своего вида. Однако накопление данных привело к пониманию более сложной организации жизни. В 1877 г. немецким гидробиологом К. Мёбиусом (1825-1908) была выдвинута концепция биоценоза. На основе изучения устричных банок Северного моря он обосновал представление о биоценозе как глубоко закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды. Биоценозы, или природные сообщества, по Мёбиусу, обусловлены длительной историей приспособления видов друг к другу и к сходной экологической обстановке. Таким образом, оформилось представление, что живая природа, помимо видов, представленных организмами, состоит из закономерно складывающихся надорганизменных систем - биоценозов, вне которых организмы не могут существовать, поскольку нуждаются в связях друг с другом. В недрах экологии стало вычленяться особое - биоценотическое направление, задачей которого было изучение закономерностей формирования и функционирования сообществ.

Изучение сообществ потребовало разработки методов количественного учета, оценки соотношений видов в биоценозах. Впервые это было сделано гидробиологами для планктона (Гензен, 1887), а затем - для донной фауны. В начале XX в. количественные методы учета стали применять и к наземной фауне.

Особое место в биоценотических исследованиях заняло изучение растительного покрова. Изучая вслед за А. Гумбольдтом закономерности распределения растений по климатическим зонам, ботаники стали более подробно связывать набор видов и их облик с условиями местообитаний. В 90-х годах появилась сводка датского ботаника Е. Варминга «Ойкологическая география растений», развивавшего представления о жизненных формах видов и типах растительного покрова. В то же время оформляется учение о растительных сообществах - фитоценозах, которое вскоре обособилось в отдельную область ботанической экологии. Большую роль в этом сыграли труды российских ученых С. И. Коржинского и И. К. Пачосского, назвавшего новую науку «фитосоциологией». Среди западных ботаников ее развитию способствовали работы А. Кернера, А. Гризебаха и др. Позднее учение о фитоценозах трансформировалось в фитоценологию и геоботанику. На примере растений были вскрыты многие принципы организации сообществ. Американский ботаник Ф. Клементс в 1910-1911 гг. разработал концепцию динамики фитоценозов, ставшую основой дальнейших представлений о законах формирования и развития сообществ.

Для развития идей общей биоценологии в первой половине XX в. большое значение имели в нашей стране фитоценологические исследования Г. Ф. Морозова, В. Н. Сукачева, Б. А. Келлера, Л. Г. Раменского, В. В. Алехина, А. П. Шенникова и др., за рубежом - К. Раункиера в Дании, Г. Дю Рие в Швеции, И. Браун-Бланке в Швейцарии. Были созданы разнообразные системы классификации растительности на основе морфологических (физиономических), эколого-морфологических, динамических и других особенностей сообществ, разработаны представления об экологических индикаторах, изучены структура, продуктивность, динамические связи фитоценозов.

Стремительный рост населения земного шара поставил проблему потенциала пищевых ресурсов. В экологии - это прежде всего проблема биологической продуктивности. В 60-е годы развитие науки и запросы практики вызвали к жизни Международную биологическую программу (МБП). Впервые биологи разных стран объединили усилия для решения общей задачи - оценки продукционной мощности биосферы. Эти исследования позволили подсчитать максимальную биологическую продуктивность всей нашей планеты, т. е. тот природный фонд, которым располагает человечество, и максимально возможные нормы изъятия продукции для нужд растущего населения Земли. Конечной целью МБП было выявление основных закономерностей качественного и количественного распределения и воспроизводства органического вещества в интересах наиболее рационального использования их человеком. Для оценки масштабов влияния человеческой деятельности на биосферу в 70-х годах за МБП последовала новая международная программа «Человек и биосфера». Ее результатом явились перечень и характеристика наиболее важных глобальных экологических проблем, представляющих угрозу не только для благоденствия, но и самого выживания человечества на Земле. Международное сотрудничество в области глобальных экологических исследований продолжается. Постоянно действует несколько всемирных научных программ, в том числе «Изменения климата», «Биоразнообразие» и другие. Проблема охраны природы, ее разумного и рационального использования на основе экологических законов становится одной из важнейших для человечества. Экология является основной теоретической базой для решения этой проблемы. Основным практическим результатом развития экосистемной экологии стало ясное осознание, сколь велика зависимость человеческого общества от состояния природы на нашей планете, необходимости перестраивать экономику в соответствии с экологическими законами. Таким образом, зародившись как «естественная история» видов, основным объектом внимания которой были отношения «организм - среда», экология прошла ряд этапов развития, сформировав представления о сложной системе связей органического мира и постепенно охватив все основные уровни организации жизни. С экологических позиций жизнь на Земле выражена одновременно на четырех основных уровнях: организм - популяция - биоценоз - экосистема. Носители жизни - организмы разной степени сложности, от клетки бактерий до многоклеточных растений и животных, обязательно являются членами какой либо видовой популяции. В свою очередь, жизнь любой популяции невозможна вне биоценозов, т. е. связей с популяциями других видов. Биоценоз же является составной частью экосистемы и обеспечивает свое существование потоками вещества и энергии из окружающей среды. Вся эта сложная система жизни поддерживается связями организмов. Такое представление об организации жизни делает устаревшими недавно еще острые дебаты о том, какой из ее уровней является главным объектом в изучении экологии. Развитие науки показало, что связи организмов со средой являются механизмом устойчивости не только самих живых существ, но и всех надорганизменных систем, вне которых их жизнь невозможна. Поэтому экология по прежнему остается «наукой о связях», как писал о ней Э. Геккель, но охватывает неизмеримо большее поле наших знаний о структуре и функционировании живой природы, включая человеческое общество. Вместе с развитием содержания экологии развиваются и методы исследования. Основной инструмент экологического поиска представляют методы количественного анализа. Надорганизменные объединения (популяции, сообщества, экосистемы) управляются преимущественно количественными соотношениями особей, видов, энергетических потоков. Количественные изменения в структуре популяций и экосистем могут в корне переменить способы и результаты их функционирования. Наряду с обычными в биологии методами наблюдений, полевых учетов, лабораторных и полевых экспериментов, специальных приемов упорядочения материалов и т. п. возникли и множатся способы математического анализа экологических ситуаций. В 20-х годах прошлого века американский ученый А. Лотка и итальянец В. Вольтерра положили начало математическому моделированию биотических отношений. Вначале математические формулы, призванные отразить природные связи, строились на основе немногих логических умозрительных допущений. Они плохо отражали реальную действительность, но позволяли понять некоторые принципы взаимодействия видов. Позднее развилось так называемое имитационное моделирование, при котором в модель закладываются многие реальные параметры изучаемых систем и принципы их функционирования, а затем, меняя переменные, наблюдают состояние объектов при разных условиях. Такие модели используются для прогнозирования изменений в популяциях, сообществах или экосистемах и дают хорошие результаты при достаточной полноте исходных данных. Разрабатываются и модели исследовательского характера, на которых проигрываются возможные варианты, позволяющие понять характер исследуемых зависимостей. Математическое моделирование относят к «теоретической экологии», которая сопутствует развитию науки, проверяя, развивая и детализируя выдвигаемые концепции. В настоящее время экология представляет собой разветвленную систему наук. Центральным ее ядром является общая экология с четырьмя основными подразделениями, соответствующими изучению связей на разных уровнях организации жизни: аутэкология, или экология организмов, популяционная экология, биоценология и экосистемная экология. Популяционную и биоценотическую экологию часто объединяют под общим названием «синэкология», так как общая их задача - изучение совместной жизни организмов (греч. син - вместе). Существует большое поле частной экологии, изучающей специфику взаимоотношений со средой у разных групп организмов (экология растений, животных, грибов, микроорганизмов и более дробно - птиц, насекомых, рыб и т. п.). В связи с развитием экологических идей выявился целый ряд новых разделов в других биологических науках и появились новые науки экологического содержания. Физиологическая экология выявляет закономерности физиологических изменений, лежащих в основе адаптации организмов. В биохимической экологии внимание направлено на молекулярные механизмы приспособительных реакций организмов при изменениях среды. Палеоэкология изучает экологические связи вымерших организмов и древние сообщества, эволюционная экология - экологические механизмы преобразования популяций, морфологическая экология - закономерности строения органов и структур организмов в зависимости от условий обитания, геоботаника - особенности сложения и распределения фитоценозов. Экологической наукой является и гидробиология, на разных уровнях изучающая экосистемы водоемов. Экологические разделы появились и в науках о Земле (например, экология ландшафтов, глобальная экология, геоэкология и т. п.), и в науках об обществе (например, социальная экология). Существует обширная учебная и научно популярная отечественная литература, знакомящая читателя с основными вопросами современной экологии. В последние годы появились общие сводки И. А. Шилова (1997), Н. К. Христофоровой (1999). На русский язык переведены книги Ю. Одума (1975, 1976), В. Лархера (1978), Р. Риклефса (1979), М. Бигона, Дж. Харпера, К. Таусенда (1979), Р. Уиттекера (1980), Э. Пианки (1981), Т. Миллера (1990), Б. Небела (1992), Р. Маргалефа (1992) и других авторов. Много работ посвящено прикладной экологии. Экологическое мышление становится необходимым для решения самых насущных задач нашей жизни. В связи с этим современная экология далеко вышла за рамки чисто академической учебной дисциплины. Необходимость экологического и природоохранительного обучения и воспитания подрастающего поколения очевидна. В международной сфере работают специальные комиссии ЮНЕСКО, ЮНЕП и другие организации, задачей которых является пропаганда и внедрение экологических подходов в разные сферы практической деятельности человека. Основная цель международных усилий - предотвратить грозящий человечеству экологический кризис и обеспечить дальнейшее развитие и благополучие общества.

Экология (от греч. óikos - «жилище», «местопребывание», «убежище» и logos - «наука») - это наука, изучающая организацию и функционирование организмов и надорганизменных систем различных уровней (популяций, биоценозов, экосистем и биосферы в целом). Экологию также определяют как науку о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой.

Экология тесно связана с теорией эволюции. Благодаря естественному отбору в процессе исторического развития органического мира оставались лишь те виды, популяции и биоценозы, которые в борьбе за существование выживали и приспосабливались к изменяющейся окружающей среде. Экология также связана с такими биологическими дисциплинами, как ботаника (экология растений), зоология (экология животных), генетика, этология (наука о поведении животных), физиология и др.

Вместе с тем, понятие «экология» в настоящее время трактуется более широко. Оно охватывает все стороны жизни человека, его физический и духовный мир: иными словами, это уже не просто наука, а мировоззрение. В последние годы крайне усиливается социальный аспект в определении экологии, и её трактуют как совокупность научных и практических проблем взаимодействия человека и природной среды.

Рис. 2. Эрнст Геккель (1834 - 1919)

Термин «экология » предложен немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем в работах «Всеобщая морфология организмов» (1866 г.) и «Естественная история миротворения» (1868 г.) для обозначения «общей науки об отношениях организмов к окружающей среде».

Предыстория экологии как науки восходит к трудам многих естествоиспытателей XVIII - XIX вв. (К. Линней, Ж.Б. Ламарк, Ж. Бюффон, Э.Ж. Сент-Илер, А. Гумбольдт, Ч. Дарвин, К.Ф. Рулье, Н.А Северцов и многие другие), которые полагали, что не только строение и развитие организмов, но и их взаимоотношения со средой обитания подчинены определённым закономерностям.

Все разделы биологии изучают жизнь на молекулярном, клеточном или организменном уровнях, так как индивидуум является самой крупной единицей исследования. Однако имеются и более сложные формы организации живого. Группы сходных индивидуумов одного вида объединяются в популяции , популяции различных видов растений и животных объединяются в сообщества , которые в свою очередь образуют с неживой природой биогеоценозы (экосистемы) и в целом биосферу нашей планеты.

Следовательно, современная экология изучает жизнь, интегрированную в биологические системы более высокого ранга, чем организм. Этим экология отличается от других областей биологии, которые она обогащает, но ни в коем случае не растворяется в них и не исчезает как самостоятельная наука.

Экология исследует три основных уровня организации живой материи: отдельные особи, популяции и сообщества. В зависимости от изучаемого уровня меняются и задачи экологии.

Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы: популяции, сообщества, экосистемы и их динамика во времени и пространстве.

Из объекта и предмета экологии вытекают и основные её задачи: изучение динамики популяций и экосистем во времени и пространстве. Главная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы управлять ими в условиях всё возрастающего влияния человека на окружающую среду. Экология изучает принципы и законы, определяющие временные и пространственные типы объединения организмов, потоки вещества и энергии через отдельные трофические уровни, закономерности функционирования экосистем и биосферы в целом.

Разделы экологии. Методы исследования.

Разделы экологии

На современном уровне развития общества экология превратилась в одну из ведущих биологических наук. Это в значительной степени обусловлено тем, что решение проблем, связанных с рациональным использованием природных ресурсов биосферы, возможно только с экологических позиций.

1. Аутэкология (греч. autos - «сам») - раздел экологии, изучающий действие различных факторов среды на отдельных особей.

2. Популяционная экология - раздел экологии, изучающий пространственную структуру и динамику (изменения) численности популяций.

3. Синэкология (греч. syn - «вместе» и koinos - «общий») - раздел экологии, исследующий видовой состав сообществ, их пространственную структуру и изменение во времени.

Методы исследования

1. Полевые исследования , т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной среде обитания. Именно при помощи полевых методов можно установить результаты влияния на организм конкретного комплекса факторов окружающей среды, выявить общую картину развития вида в определённых условиях.

2. Метод эксперимента. Главной его задачей является выяснение (путём наблюдения) причин существующих природе взаимоотношений. Путём эксперимента (опыт сравнивается с контролем) вычленяется и анализируется роль отдельных факторов при постоянстве всех остальных.

3. Метод моделирования биологических явлений. Методы математического моделирования используются для экологического прогнозирования. Поскольку в условиях научно-технического прогресса воздействие человека на окружающую среду неизбежно, составление экологического прогноза необходимо. Это сложная и ответственная задача, решить которую невозможно без многостороннего математического анализа всех аспектов взаимоотношений живых организмов с многочисленными факторами внешней среды. Управление экосистемами на основе точно составленных прогнозов - задача будущего.

Экологические факторы

Экологические факторы - это факторы среды, которые воздействуют на организм.

Среда обитания - это всё то, что окружает живой организм и прямо или косвенно влияет на его состояние, развитие, выживаемость, размножение и т.д.

Условия существования, или условия жизни , - совокупность необходимых для жизни элементов, т.е. комплекс экологических факторов, без которых организм не может существовать.

Все приспособления к существованию организмов в различных условиях выработались у них исторически. В результате этого сложного и длительного процесса сформировались специфические для каждой географической зоны группировки растений и животных.

Среда обитания:

а) водная (кит);

б) воздушная (стриж);

в) подземная (крот);

г) наземная (заяц).

Рис. 3. Кит Рис. 5. Крот

Рис. 4. Стриж Рис. 6. Заяц

Закономерности воздействия абиотических факторов на организмы

Экологические факторы чрезвычайно разнообразны, и каждый вид, испытывая их влияние, отвечает на него по-разному. Тем не менее, есть общие законы, которым подчиняются ответные реакции организмов на любой фактор среды.

Главный из них - закон оптимума : любой экологический фактор имеет определённые пределы положительного влияния на живые организмы.

При отклонении от этих пределов знак воздействия меняется на противоположный. Например, животные и растения плохо переносят сильную жару и сильные морозы; оптимальными являются средние температуры. Точно так же и засуха, и постоянные проливные дожди одинаково неблагоприятны для урожая. Закон оптимума отражает диапазон влияния каждого фактора на жизнеспособность организмов. На графике он выражается симметричной кривой, показывающей, как изменяется жизнедеятельность вида при постепенном увеличении воздействия фактора.

В центре под кривой - зона оптимума. При оптимальных значениях фактора организмы активно растут, питаются, размножаются. Чем больше отклоняется значение фактора вправо или влево, т.е. в сторону уменьшения или увеличения силы действия, тем менее благоприятно это для организмов. Кривая, отражающая их жизнедеятельность, резко спускается вниз по обе стороны от оптимума. Здесь располагаются две зоны пессимума. При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся две критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за их пределами наступает смерть. Расстояние между критическими точками показывает степень выносливости организмов к изменению фактора. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы для выживания. Такие условия называются экстремальными.

Факторы, снижающие жизнеспособность организма, называются ограничивающими, или лимитирующими.

Свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды называется экологической пластичностью, или экологической валентностью. Экологически непластичные виды называются стенобионтными (греч. stenos - «узкий») (левая и правая части графика), а выносливые, приспособленные к широкому диапазону факторов среды - эврибионтными (греч. eyros - «широкий») (центральная кривая).

Например, стенофаги имеют узкий спектр пищевых объектов, а эврифаги питаются разнообразной пищей; стенотопные виды встречаются в одном месте обитания, а эвритопные - в разнообразных.

Закон Минимума (Ю. Либих)

Рис. 8. Юстус Либих (1803 - 1873)

В 1840 г. немецкий агрохимик Юстус Либих пришёл к заключению, что выносливость организмов обусловлена самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Он установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах (углекислый газ, вода и др.), - поскольку такие вещества, как правило, присутствуют в изобилии, - а теми, которые необходимы в малых количествах и которых в почве недостаточно (например, бор). Установленная закономерность получила название «правило Либиха», или «закон минимума Либиха».

Закон минимума Либиха : в комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости рассматриваемого организма.

Закон Толерантности (В. Шелфорд)

Рис. 9. Виктор Шелфорд (1877 - 1968)

Но лимитирующим фактором может быть не только недостаток (минимум), но и избыток (максимум) экологического фактора. Представление о лимитирующем влиянии максимума наряду с минимумом развил В. Шелфорд в 1913 г. Выявленная им закономерность получила название «закон толерантности Шелфорда»

Закон толерантности Шелфорда : лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности (лат. tolerantia - «терпение»), выносливости организма к данному фактору.

Ограничивающими факторами могут служить и биотические факторы среды. Например, распространение бобовых растений в Арктике ограничивается не сколько низкими температурами, сколько отсутствием насекомых-опылителей, в частности шмелей. Именно по этой причине нет бобовых на Диксоне.

Многочисленные полевые исследования, а также эксперименты показывают, что один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов различных видов. Более того, каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Так температура воздуха от +40 до +45°С у пойкилотермных животных (т.е. не имеющих постоянной температуры тела) сильно увеличивает скорость метаболизма, но тормозит их двигательную активность.

Факторы среды влияют на организм животного в совокупности. Так оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от действия других факторов. Отмеченная закономерность получила название «взаимодействие факторов». Например, жару легче переносить при сухом, а не при влажном воздухе; низкие зимние температуры в сочетании с повышенной влажностью и сильными ветрами могут быть крайне неблагоприятны.

Предмет и задачи экологии

Экология (от греч. «ойкос » - дом, жилище и «логос » - учение) - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с дру­гими естественными науками - химией, физикой, геологи­ей, географией, почвоведением, математикой.

Предметом экологии является совокупность или струк­тура связей между организмами и средой.

Главный объект изучения в экологии - экосистемы , т. е. единые природ­ные комплексы, образованные живыми организмами и сре­дой обитания. Кроме того, она изучает отдельные виды организмов (организменный уро­вень), их популяции, т. е. совокупность особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (био­сферный уровень).

Различают два вида экологии – общую и прикладную.

Общая экология – изучает об­щие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды обитания (включая человека как биологическое суще­ство).

В составе общей экологии выделяют следующие основ­ные разделы:

­ Аутэкология (от греч. autos - сам) - раздел экологии, в задачу которого входит установление пределов существования особи (орга­низма) и тех пределов физико-химических факторов, в диапазоне ко­торых организм может существовать. Изучение реакций организма на воздействия факторов среды позволяет выявить не только пре­делы, в которых он может существовать, но и физиологические и морфологические изменения, характерные для данных особей. Поэтому аутэкология изучает взаимоотношения организма с внешней средой, в основе которых лежат его морфофизиологические реакции на воздействия среды. С изучения этих реакций начинается любое экологическое исследование. Причем основное внимание уде­ляется биохимическим реакциям, интенсивности газового и водного обмена, а также другим физиологическим процессам, которые опре­деляют состояние организма. При проведении исследований используются сравнительно-экологи­ческий и эколого-географический методы, сопоставляются состояние и реакция организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (сезонная и суточная активность). Большое место в аутэкологических исследованиях занимает изучение влияния на организм естес­твенной и искусственной радиоактивности, техногенного загрязнения.

­ аутэкологию , исследующую индивидуальные связи отдель­ного организма (вида, особи) с окружающей его средой;

­ популяционную экологию (демоэкологию) , в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдель­ных видов, взаимоотношения между организмами одного вида в пределах популяции и средой обитания. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;

­ синэкологию (биоценологию) - учение об экосистемах (биогеоценозах), изучающую взаимоотноше­ние популяций, сообществ и экосистем со средой.

­ !!глобальная экология - учение о роли живых организмов (живого вещества) и продуктов их жизнедеятельности в создании земной оболочки (атмосферы, гидросферы, литосферы) ее функционирования.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойст­ва - изучить закономерности адаптации организмов и их со­обществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т. д.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т.е. различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.

В последнее время роль и значение биосферы как объек­та экологического анализа непрерывно возрастает. Особен­но большое значение в современной экологии уделяется про­блемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Выдвижение на первый план этих разделов в эколо­гической науке связано с резким усилением взаимного отри­цательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.

Таким образом, современная экология не ограничивает­ся только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она пре­вращается в междисциплинарную науку, изучающую слож­нейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вы­званной обострением экологической обстановки в масшта­бах всей планеты, привела к «экологизации» многих естест­венных, технических и гуманитарных наук.

Например, на стыке экологии с другими отраслями зна­ний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т. д.

Экологическими проблемами Земли как планеты зани­мается интенсивно развивающаяся глобальная экология , ос­новным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и та­кие специальные дисциплины, как социальная экология, изу­чающая взаимоотношения в системе «человеческое общест­во - природа», и ее часть - экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

Современная экология тесно связана с политикой, эко­номикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, так как только в союзе с ними возмож­но преодолеть технократическую парадигму мышления, свой­ственную XX в., и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.

С научно-практической точки зрения вполне обоснована деление экологии на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология вскрывает общие закономерно­сти организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процес­са и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Исходя из приведенных выше понятий и направлений сле­дует, что задачи экологии весьма многообразны.

В общетеоретическом плане к ним относятся:

­ разработка общей теории устойчивости экологических сис­тем;

­ изучение экологических механизмов адаптации к среде;

­ исследование регуляции численности популяций;

­ изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

­ исследование продукционных процессов;

­ исследование процессов, протекающих в биосфере, с це­лью поддержания ее устойчивости;

­ моделирование состояния экосистем и глобальных био­сферных процессов.

Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие:

­ 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 районах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе ново­го взгляда, рассматривающего человеческое общество как не­отъемлемую часть биосферы.

Задачи экологии:

­ изучение механизмов адаптации живых организмов к условиям среды;

­ доработка научной основы рационального использования природных ресурсов и сохранение нормальной среды обитания;

­ регуляция численности населения;

­ разработка систем и мероприятий, обеспечивающих минимальное использова­ние химических средств в сельском хозяйстве;

­ экологическая индикация для изучения систем загрязнения;

­ разработка экологического мониторинга - системы повторных целенаправленных исследований параметров окружающей среды;

Задачи экологии применительно к проектно–конструкторской и инженерной деятельности:

­ оптимизация инженерных решений на стадии проектирования с точки зрения наименьшего вреда;

­ прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий новых инженерных решений;

­ своевременное выявление и корректировка технологических процессов нанося­щих ущерб окружающей среде.

Развитие организма как живой целостной системы

Организм - любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, при­сущих только живой материи: клеточная организация; обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обес­печивающий гомеостаз организма - самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым ор­ганизмам присущи движение, раздражимость, рост, развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования - адаптация .

Взаимодействуя с абиотической средой, организм высту­пает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации (левая часть «спек­тра», рис. 1.1). Все эти части организма (гены, клетки, кле­точные ткани, целые органы и их системы) являются компо­нентами и системами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за со­бой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естествен­ного отбора, те или иные органы получают приоритетное раз­витие. Например, мощная корневая система у растений за­сушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редук­ции глаз у ночных животных, существующих в темноте (крот).

Живые организмы обладают обменом веществ, или ме­таболизмом, при этом происходит множество химических ре­акций. Примером таких реакций могут служить дыхание, ко­торое еще Лавуазье и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зелеными расте­ниями связывается солнечная энергия, а результаты дальней­ших процессов метаболизма используются всем растением, и др.

Как известно, в процессе фотосинтеза кроме солнечной энергии используется двуокись углерода и вода. Суммарно химическое уравнение фотосинтеза выглядит так:

Практически вся двуокись углерода (С0 2) поступает из ат­мосферы и днем ее движение направлено вниз, к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется кислород. Дыха­ние - процесс обратный, и движение СО 2 ночью направлено вверх и идет поглощение кислорода.

Некоторые микроорганизмы, бактерии, способны создавать органические соединения и за счет других компонентов, напри­мер за счет соединений серы. Такие процессы называются хе­мосинтезом .

Обмен веществ в организме происходит только при уча­стии особых макромолекулярных белковых веществ - фермен­тов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимиче­ская реакция в процессе жизни организма контролируется осо­бым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приво­дит к изменению биохимической реакции вследствие измене­ния фермента, а в случае нехватки последнего и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Однако не только ферменты регулируют процессы метабо­лизма. Им помогают коферменты - это крупные молекулы, частью которых являются витамины -вещества, необходимые для обмена веществ всех организмов - бактерий, зеленых рас­тений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням: нарушается обмен веществ.

Наконец, для ряда метаболических процессов необходи­мы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных местах (органах) ор­ганизма и доставляются в другие места кровью или посред­ством диффузии. Гормоны осуществляют в любом организ­ме общую химическую координацию метаболизма и помога­ют в этом деле, например, нервной системе животных и че­ловека.

На молекулярно-генетическом уровне особенно чувстви­тельно воздействие загрязняющих веществ, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Они вызывают нарушение гене­тических систем, структуры клеток и подавляют действие фер­ментных систем. Все это приводит к болезням человека, жи­вотных и растений, угнетению и даже уничтожению видов, живых организмов.

Метаболические процессы протекают с различной интен­сивностью на протяжении всей жизни организма, всего пути его индивидуального развития. Этот его путь от зарождения и до конца жизни называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпе­ваемых организмом за весь период жизни.

Онтогенез включает рост организма, т. е. увеличение мас­сы и размеров тела, и дифференциацию, т. е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводя­щее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтоге­нез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы). При бес­полом размножении - с образованием нового организма пу­тем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, лукови­цы и т. п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий раз­вития. Для организмов, размножающихся половым путем, раз­личают зародышевую (эмбриональную), послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организ­ма. Зародышевой период заканчивается выходом зародыша из яйцовых оболочек, а у живородящих - рождением. Важ­ное экологическое значение для животных имеет первоначаль­ный этап послезародышевого развития - протекающий по ти­пу прямого развития или по типу метаморфоза. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цып­ленок - курица и т. д.), во втором - развитие происходит вначале в виде личинки, которая существует и питается само­стоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (го­ловастик - лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие тем­пературы, засуху и т. д.)

В онтогенезе растений различают рост, развитие (форми­руется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенно­стью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафит) и полового (гема-тофит)поколений.

Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уров­не, т. е. на уровне индивида (особи), - это необходимое и весь­ма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии дей­ствием химического, светового и теплового загрязнения среды и привести к появлению уродов или даже привести к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического разви­тия - филогенеза. Не случайно этот термин ввел Э. Геккель в 1866 г., так как для целей экологии необходима реконструк­ция эволюционных преобразований животных, растений и мик­роорганизмов. Этим занимается наука - филогенетика, кото­рая базируется на данных трех наук - морфологии, эмбриоло­гии и палеонтологии.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволю-ционном плане и индивидуальным развитием организма сфор­мулирована Э. Геккелем в виде биогенетического закона: он­тогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, вначале в утробе матери (у млекопитающих и др.), а затем, появившись на свет, индивид в своем развитии повторяет в сокращенном виде исто­рическое развитие своего вида.

Системы организмов и биота Земли

В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн видов организмов. Систематика их все более усложняется, хо­тя основной ее скелет остается почти неизменным со времени ее создания выдающимся шведским ученым Карлом Линнеем в середине XVII в.

Таблица 1.1

Высшие таксоны систематики империи клеточных организмов

Оказалось, что на Земле существуют две большие группы организмов, различия между которыми намного более глубо­ки, чем между высшими растениями и высшими животными, и, следовательно, по праву среди клеточных были выделены два надцарства: прокариотов - низкоорганизованных доядерных и эукаритов - высокоорганизованных ядерных. Прока­риоты (Ргосагуо1а) представлены царством так называемых дро­бянок, к которым относятся бактерии и синезеленые водорос­ли, в клетках которых нет ядра и ДНК в них не отделяется от цитоплазмы никакой мембраной. Эукариоуы (Еисагуо1а) пред­ставлены тремя царствами: животных, грибов и растений, клетки которых содержат ядро и ДНК отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, поскольку находится в самом ядре. Гри­бы выделены в отдельное царство, так как оказалось, что они не только не относятся к растениям, но имеют, вероятно, происхождение от амебоидных двужгутиковых простейших, т.е. имеют более тесную связь с животным миром.

Однако такое деление живых организмов на четыре царст­ва еще не легло в основу справочной и учебной литературы, поэтому при дальнейшем изложении материала мы придер­живаемся традиционных классификаций, но которым бактерии, синезеленые водоросли и грибы являются отделами низших растений.

Всю совокупность растительных организмов данной тер­ритории планеты любой детальности (региона, района и т.д.) называют флорой, а совокупность животных организмов - фауной.

Флора и фауна данной территории в совокупности состав­ляют биоту. Но эти термины имеют и гораздо более широкое применение. Например, говорят: флора цветковых растений, флора микроорганизмов (микрофлора), микрофлора почв и т. п. Аналогично используется термин «фауна»: фауна млекопитаю­щих, фауна птиц (орнитофауна), микрофауна и т. п. Термин «биота» используют, когда хотят оценить взаимодействие всех живых организмов и среды или, скажем, влияние «почвенной биоты» на процессы почвообразования и др. Ниже приводится общая характеристика фауны и флоры в соответствии с класси­фикацией (табл. 1.1).

Прокариоты являются древнейшими организмами в ис­тории Земли, следы их жизнедеятельности выявлены в отло­жениях протерозоя, образовавшихся около миллиарда лет на­зад. В настоящее время их известно около 5000 видов.

Самыми распространенными среди дробянок являются бактериин в настоящее время это самые распространенные в биосфере микроорганизмы. Их размеры составляют от деся­тых долей до двух-трех микрометров.

Бактерии распространены повсеместно, но больше всего их в почвах - сотни миллионов на один грамм почвы, а в черноземах - более двух миллиардов.

Микрофлора почв весьма разнообразна. Здесь бактерии вы­полняют различные функции и подразделяются на следую­щие физиологические группы: бактерии гниения, нитрофи-цирующие, азотофиксирующие, серобактерии и др. Среди них есть аэробные и анаэробные формы.

В результате эрозии почв бактерии попадают в водоемы. В прибрежной части их до 300 тыс. в 1 мл, с удалением от берега и с глубиной их количество снижается до 100-200 осо­бей на 1 мл.

В атмосфере воздуха бактерий значительно меньше.

Широко распространены бактерии в литосфере ниже поч­венного горизонта. Под почвенным слоем их всего на поря­док меньше, чем в почве. Бактерии распространяются на сот­ни метров в глубину земной коры и даже встречаются на глу­бине двух и более тысяч метров.

Синезеленые водоросли сходны по строению с бактери­альными клетками, являются фотосинтезирующими автотро­фами. Обитают преимущественно в поверхностном слое пре­сноводных водоемов, хотя есть и в морях. Продуктом их ме­таболизма являются азотистые соединения, способствующие развитию других планктонных водорослей, что при опреде­ленных условиях может привести к «цветению» воды и к ее загрязнению, в том числе и в водопроводных системах.

Эукариоты - это все остальные организмы Земли. Са­мые распространенные среди них - растения, которых около 300 тыс. видов.

Растения - это практически единственные организмы, которые создают органическое вещество за счет физических (неживых) ресурсов - солнечной инсоляции и химических эле­ментов, извлекаемых из почв (комплекс биогенных элемен­тов). Все остальные питаются уже готовой органической пи­щей. Поэтому растения как бы создают, продуцируют пищу для всего остального животного мира, т. е. являются проду­центами.

Все одноклеточные и многоклеточные формы растений имеют, как правило, автотрофное питание за счет процессовфотосинтеза.

Водоросли - это большая группа растений, живущих в во­де, где они могут либо свободно плавать, либо прикрепляться к субстрату. Водоросли - это первые на Земле фотосинтези-рующие организмы, которым мы обязаны появлением кисло­рода в ее атмосфере. Кроме того, они способны усваивать азот, серу, фосфор, калий и другие компоненты непосредственно из воды, а не из почвы.

Остальные, более организованные растения - обитате­ли суши. Они получают питательные элементы из почвы по­средством корневой системы, которые транспортируются че­рез стебель в листья, где берут начало процессы фотосинте­за. Лишайники, мхи, папоротникообразные и цветковые ра­стения являются одним из важнейших эементов географи­ческого ландшафта, доминируют здесь цветковые, которых более 250 тыс. видов. Растительность суши - главный ге­нератор кислорода в атмосферу и ее бездумное уничтожение не только оставит животных и человека без пищи, но и без кислорода.

Низшие почвенные грибы играют основную роль в про­цессах почвообразования.

Животные представлены большим разнообразием форм и размеров, их более 1,7 млн видов. Все царство животных - это гетеротрофные организмы, консументы.

Наибольшее количество видов и наибольшая численность особей у членистоногих. Насекомых, например, столько, что на каждого человека их приходится более 200 млн особей. На втором месте по количеству видов стоит класс моллюсков, но их численность значительно меньше, чем насекомых. На третьем месте по числу видов выступают позвоночные, среди которых млекопитающие занимают примерно десятую часть, а половина всех видов приходится на рыб.

Значит, большая часть видов позвоночных формировалась в водных условиях, а насекомые - это сугубо животные су­ши.

Насекомые развивались на суше в тесной связи с цветко­выми растениями, являясь их опылителями. Эти растения поя­вились позже других видов, но более половины видов всех растений приходится на цветковые. Видообразование в этих двух классах организмов находилось и находится сейчас в тес­ной взаимосвязи.

Если сравнить количество видов сухопутных организмов и водных, то это соотношение будет примерно одинаково и для растений, и для животных: количество видов на суше - 92-93 %, в воде - 7-8 %, значит, выход организмов на сушу дал мощный толчок эволюционному процессу в направлении увеличения видового разнообразия, что ведет к повышению устойчивости природных сообществ организмов и экосистем в целом.

ПОНЯТИЕ ОБ ЭКОСИСТЕМЕ

Концепция функционирования экосистемы

Термин «экосистема » введен английским ботаником А. Тенсли в 1935 году, хотя мысль о взаимосвязи и единстве организмов и среды их обитания высказывалась еще древ­ними учеными. Лишь в конце прошлого века стали появляться публи­кации, включающие понятия, идентичные термину «экосистема», при­чем практически одновременно в американской, западноевропейской и русской научной литературе. Так, немецкий ученый К. Мёбиус в 1877 г. ввел термин «биоценоз», через 10 лет американский биолог С. Форбс опубликовал свой классический труд об озере как водной экосистеме. В 1846-1903 гг. основоположник почвоведения в России В.В. Докучаев отмечал в своих трудах единство живых организмов с материнской породой при образовании почв. Примерно на рубеже XIX-XX вв. появилось серьезное отношение к идее о том, что приро­да функционирует как целостная система независимо от того, о какой среде идет речь - пресноводной, морской или наземной. Но только спустя полвека была разработана общая теория систем, началось развитие нового, количественного направления экологии экосистем. Основоположниками этого направления были Ф. Хатчинсон, Р. Маргалеф, К. Уатт, П. Пэттен, Ван Дайн, Г. Одум.

Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Она включает в себя все организмы (биотическое сообщество), сов­местно функционирующие на конкретной территории, которые взаи­модействуют с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот ве­ществ между живой и неживой частями.

Дайте определение экологии. Что является предметом и задачами ее изучения?

Экология - один из сравнительно молодых и бурно развивающихся разделов биологии - изучает взаимоотношения организмов между собой и со средой обитания. Взаимодействие организмов со средой рассматривает каждая биологическая наука. Экология затрагивает лишь ту его сторону, которая обусловливает развитие, размножение и выживание особей, структуру и динамику популяций, и сообществ. На определённом этапе развития наших представлений о природе произошло идейное сближение экологии с другими биологическими, да и не только биологическими, науками. Особенно тесные связи установились между экологией и физиологией. В результате выделилось и успешно развивается новое направление - экологическая физиология. Экологические и физиологические методы исследований взаимно пронизывают обе эти науки. Произошло сближение экологии и морфологии. Такие понятия, как «экологическая морфология», «экологическая эмбриология», стали уже привычными.

Термин «экология» (от греч. oikos - жилище, место обитания и logos - наука) 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. Однако до сих по нет достаточно чёткого и строгого определения экологии, и все ещё идут споры о том, что такое экология, следует ли её рассматривать как единую науку или же экология растений и экология животных - самостоятельные дисциплины. Не решён вопрос, относится ли биоценология к экологии или это обособленная область науки. Не случайно почти одновременно появляются руководства по экологии, написанные с принципиально разных позиций. В одних экология трактуется как современная естественная история, в других - как учение о структуре природы, в котором конкретные виды рассматриваются лишь как средства трансформации вещества и энергии в биосистемах, в третьих - как учение о популяции и т.д. Нет необходимости останавливаться на всех существующих точках зрения относительно предмета и содержания экологии. Важно лишь отметить, что на современном этапе развития экологических представлений все более чётко вырисовывается её суть. Экология - это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых её проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учётом изменений, вносимых в среду деятельностью человека. Из этой формулировки можно сделать вывод, что все исследования, изучающие жизнь животных и растений в естественных условиях, открывающие законы, по которым организмы объединяются в биологические системы, и устанавливающие роль отдельных видов в жизни биосферы, относятся к экологическим.

Однако приведенное определение слишком пространно и недостаточно конкретно, хотя на первых этапах развития экологии один из вариантов его (экология - это наука об отношениях организмов друг с другом и со средой, наука о приспособлениях и т.п.) не только был принципиально верным, но и мог служить ориентиром при постановке ряда исследований. В последнее время экологи пришли к принципиально важному обобщению, показав, что условия среды осваиваются организмами на популяционно-биоценотическом уровне, а не отдельными особями вида. Это привело к интенсивному развитию учения о биологических макросистемах (популяциях, биоценозах, биогеоценозах), что оказало громадное влияние на развитие биологии в целом и всех её разделах в частности. В результате стали появляться всё новые и новые определения экологии. Её рассматривали как науку о популяциях, о структуре природы, о динамике численности и т.д. Но все они, несмотря на некоторую специфичность, определяют экологию как науку, исследующую законы жизни животных, растений и микроорганизмов в естественной среде обитания с учётом роли антропических факторов.

Основные формы существования видов животных, растений и микроорганизмов в естественной среде обитания - это внутривидовые группировки (популяции) или многовидовые сообщества (биоценозы). Поэтому современная экология изучает взаимоотношения организмов и среды на популяционно-биоценотическом уровне. Конечной целью экологических исследований является выяснение путей, с помощью которых вид сохраняется в постоянно меняющихся условиях среды. Процветание вида заключается в поддержании оптимальной численности его популяций в биогеоценозе. Следовательно, основным содержанием современной экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики.

Отсюда очевидно, что предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы) и их динамика во времени и пространстве. Из содержания и предмета исследований экологии вытекают и её основные задачи, которые могут быть сведены к изучению динамики популяций, к учению о биогеоценозах и их системах. Структура биоценозов, на уровне формирования которых, как было отмечено, происходит освоение среды, способствует наиболее экономичному и полному использованию жизненных ресурсов.

Предмет, цель и задачи экологии

Что такое экология? Термин «экология» возник сравнительно недавно, но свой вклад в эту науку внесли еще ученые древности - Аристотель, Гиппократ, Эпикур и др. Известен, например, постулат Эпикура, в котором говорится: «...нельзя насиловать природу, следует повиноваться ей, необходимые желания исполняя, а также естественные, если они не вредят. А вредные - сурово подавляя ». (Интересно сравнить с известным у нас - через два тысячелетия - тезисом: «Нам нельзя ждать милостей от природы! Взять их у нее - наша задача»).

Понятие экология ввел в 1866 году немецкий зоолог Эрнст Геккель. Слово «экология » образовано из двух греческих слов: («ойкос » - дом, жилище, убежище и «логос » - учение), т. е. наука о доме, обители человека, но в особом применении этих слов.

Геккель определил экологию как общую науку о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой, в которую входят все условия их существования. В дальнейшем это определение значительно расширилось.

Сегодня слово "экология" для многих означает "общность человека и окружающей среды". В современном понимании экология - это наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой (ОС). Под окружающей средой понимается практически вся Вселенная. Очень часто термин ОС заменяют словом «природа».

Под живыми организмами понимается не только человек, но и все остальные живые представители природы: животные, растения, простейшие организмы.

Экология приобрела практический интерес еще на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый индивидуум для того, чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об окружающей его среде, о силах природы, растениях и животных. Можно утверждать, что цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволяющие ему изменять среду обитания. Для современной экологии чрезвычайно важен вопрос о закономерностях изменений этих организмов и их сообществ под воздействием самой природы и человека.

Предметом (объектом) исследования экологии являются биологические экосистемы (популяции, биоценозы), размещенные выше уровня организмов и их динамика во времени и пространстве.

Природные условия жизни организмов - климат и природные ресурсы, определяют структуру, количественный и качественный состав биологических сообществ. Эта структура значительно богаче на берегу и в толще воды теплого южного моря, чем на берегу холодного северного моря или в безводной пустыне. К природным ресурсам относятся земля, вода, растения, животные, полезные ископаемые и другое, что составляет основу жизни и саму жизнь.

Взаимоотношения живых организмов и их сообществ между собой и со средой обитания. Человек бесцеремонно стал входить в любую среду обитания: он вырубает леса, распахивает землю, возводит плотины на реках, строит заводы. Подобная его деятельность резко изменяет природные условия жизни других обитателей планеты и загрязняет окружающую среду. Это пагубно влияет на все живые организмы, в том числе и на самого человека.

Основной целью изучения дисциплины "Экология и охрана окружающей среды" (ЭКОС) является познание закономерностей взаимодействия общества с окружающих естественной средой для обеспечения конструктивного природопользования; формирования умений и навыков экологической ориентации, эффективного внедрения природоохранных мероприятий.

Основными задачам курса ЭКОС являются:

1. формирование экологического мировоззрения;
2. обретение умений и навыков эффективного внедрения природоохранных мероприятий;
3. усвоение основных закономерностей взаимодействия человека, общества и природы посредством обретения эколого-экономических знаний.

Понятие популяция (от лат. populus - народ) сначала использовали для определения групп людей, в экологии оно приобрело более широкое значение и характеризует группу особей любого вида.

Рассматривая уровни организации жизни – сообщество, популяции, организм, орган, клетку и ген мы видим, что они расположены в иерархическом порядке – от малых систем к крупным. На каждом уровне или ступени в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Под системой понимаются упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое. Экология изучает главным образом, системы надорганизменных уровней организации: популяционные, экологические.