87538

Предмет экологии. Понятие об экосистемах. Экологические факторы

Лекция

Экология и защита окружающей среды

Существует довольно много определений экологии однако подавляющее большинство современных экологов считают что экология –- это наука изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи организмов между собой и средой в которой они обитают.

Русский

2015-04-21

178.5 KB

0 чел.

Тема 1. Введение. Предмет экологии. Понятие об экосистемах. Экологические факторы.

(Вопросы для рассмотрения. Основные разделы экологии. Экология в системе естественных наук. Фундаментальные свойства и уровни организации живой материи. Понятие об экосистемах. Экологические факторы. Обмен вещества и энергии в  экосистемах.)

Слово «экология» было впервые использовано немецким биологом Э.Геккелем в 1866 г.  В буквальном смысле экология – это «наука о местообитании» (греч. Oikos -  дом,  logos – наука) . Существует довольно много определений экологии, однако подавляющее большинство современных экологов считают, что

экологияэто наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи организмов между собой и средой, в которой они обитают.

Объекты исследования экологии — в основном, системы выше уровня отдельных организмов: популяции, биоценозы, экосистемы, а также вся биосфера.

Предмет изучения — организация и функционирование таких систем.

Основные разделы экологии

В структуре современной экологии Н.Ф.Реймерс (1994) выделил следующие крупные разделы экологии как науки:

  •  теоретическая экология (биоэкология, общая экология);
  •  прикладная экология;
  •  социальная экология.

Теоретическая экология рассматривает общие закономерности организации жизни, в том числе в связи с антропогенным воздействием на природные системы.

В зависимости от уровня биологической организации общую экологию подразделяют  на:

аутэкологию (изучает особи и виды организмов)

популяционную экологию (изучение популяций)

синэкологию (экология сообществ)

существует и более дробное деление (классификация) — экология животных, растений, океана и др.

Экологическими проблемами Земли как планеты занимается глобальная экология, объектом изучения которой является биосфера, как глобальная экосистема.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального природопользования. Естественной  основой прикладной экологии служат законы, правила и принципы фундаментальной (теоретической) экологии.

Социальная экология изучает взаимоотношения в системе «человеческое общество — природа».

Частью социальной экологии является экология человека, в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающей средой. Ответвлением экологии человека является валеология, рассматривающая вопросы приобретения человеком навыков здорового образа жизни.

Место экологии в системе естественных наук

Современная  экология тесно взаимодействует с другими отраслями науки, преимущественно естественно-научного направления. Экологи активно используют их методы, законы, принципы, а также информацию о строении и свойствах живой и неживой материи, накопленную в различных областях научных знаний. В то же время её выводы и достижения учитываются учёными различных направлений, а нередко лежат в основе разработки новейших концепций развития общества.

Экология тесно связана с такими науками, как биология, химия, математика, география, физика, эпидемиология, биогеохимия, социология, демография, экономика и др.

Методы исследования в экологии подразделяются на: полевые, экспериментальные и методы моделирования.

Полевые методы представляют собой наблюдение за функционированием живых организмов в их естественной среде обитания.

Экспериментальные методы включают в себя варьирование различных факторов, влияющих на организмы, по выбранной программе в стационарных условиях.

Методы моделирования позволяют прогнозировать развитие различных процессов взаимодействия живых систем между собой и с окружающей их природной средой.

Фундаментальные свойства живой материи.

Так как экология занимается изучением условий и механизмов функционирования живой материи (организмов) высоких уровней организации кратко рассмотрим фундаментальные свойства живой материи. Чем живое вещество отличается от неживого.

Несмотря на то, что такие различия многочисленны и нередко очевидны (например, различие между живой и неживой природой отчетливо проявляется уже на уровне их химического состава. Если земная кора на 90% состоит из О, Si, Al и Na, то в живых организмах около 95 % составляют C, H, O, N. Кроме того, к этой группе (макроэлементов) относится еще восемь элементов - Na, Cl, S, P, Ca, K, Mg, Fe, содержание которых исчисляется долями процента) на данный момент нет строгого определения, что же такое жизнь.

Поскольку среди учёных нет полного единства в данном вопросе, перечислим те свойства, которые всеми исследователями рассматриваются как непременный атрибут (свойство) живой материи.

Обмен веществ (метаболизм)

В отличие от тел неживой природы обмен с окружающей средой для живых организмов является условием их существования. При этом происходит восстановление разрушенных («отработавших») компонентов, замена их новыми, идентичными им, т.е. имеет место самообновление. Вот некоторые примеры: все белки печени и крови человека обновляются каждые 20 дней; все тканевые белки - в течение каждых 160 дней; все клетки кишечного эпителия обновляются в течение недели.

Самовоспроизведение (репродукция)

Жизнь существует в виде дискретных биологических систем (клеток, организмов и т.д.) и существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени. Поэтому поддержание жизни на любом уровне организации связано с репродукцией.

Наследственность и изменчивость

Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток генетической информации) между поколениями организмов. Она тесно связана с репродукцией на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Генетический код - это система «записи» информации о последовательности расположения аминокислот в синтезируемых белках с помощью последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Совокупность всех генов организма называется генотипом, а совокупность признаков -фенотипом

Если бы при размножении организмов проявлялась только преемственность существующих признаков и свойств, то на фоне меняющихся условий внешней среды существование организмов было бы невозможно, так как необходимым условием жизни организмов является их приспособленность к условиям среды обитания. При «жесткой» наследственности не мог бы осуществляться и эволюционный процесс. Но живым организмам свойственна изменчивость, под которой понимают свойство живого приобретать новые признаки и утрачивать прежние.

Таким образом, на наследственной (генотипической) изменчивости базируется приспособляемость организмов к условиям внешней среды, разнообразие организмов, создаются предпосылки для позитивной эволюции.

Индивидуальное развитие организмов

Всем живым организмам свойственен процесс индивидуального развития - онтогенез.

Эволюция организмов

Эволюция организмов представляет собой необратимый процесс исторического развития живого. В ходе эволюции (филогенетического развития) происходит последовательная смена видов в результате процесса возникновения новых видов организмов. С появлением человека возникла новая форма существования материи - социальная, высшая по сравнению с биологической и не сводимая к ней. В силу этого человек в отличие от всех других видов организмов представляет собой биосоциальное существо.

Раздражимость организмов

Неотъемлемым свойством организмов и всех живых систем является раздражимость - способность воспринимать внешние или внутренние раздражители (воздействия) и адекватно на них реагировать.

Существуют и другие представления о наборе признаков, по которым живую материю можно отличить от неживой. К ним относят:

1. Питание.

Пища нужна всем живым существам. Они используют ее как источник энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности.

2. Дыхание

Для всех процессов жизнедеятельности нужна энергия, поэтому основная масса питательных веществ, получаемых в результате автотрофного или гетеротрофного питания, используется в качестве источника энергии. Энергия высвобождается в процессе дыхания при расщеплении некоторых высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая энергия запасается в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), который обнаружен во всех живых клетках.

3. Раздражимость

Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды, что помогает им выжить.

4. Подвижность

Животные отличаются от растений способностью перемещаться из одного места в другое, т.е. способностью к движению. Животным необходимо двигаться, чтобы добывать пищу. Для растений подвижность необязательна: растения способны сами создавать питательные вещества из простейших соединений, доступных почти повсюду. Но и у растений можно наблюдать движения внутри клеток и даже движения целых органов, хотя и с меньшей, чем у животных, скоростью. Могут двигаться и некоторые бактерии, и одноклеточные водоросли.

5. Выделение

Выделение, или экскреция - это выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. Такие ядовитые «шлаки» возникают, например, в процессе дыхания, и их надо обязательно удалять.

6. Размножение

Продолжительность жизни у каждого организма ограничена, однако все живое «бессмертно». Выживание вида обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения.

7. Рост

Объекты неживой природы (например, кристалл или сталагмит) растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности. Живые существа растут изнутри за счет питательных веществ, которые организм получает в процессе автотрофного или гетеротрофного питания.

Эти семь главных признаков живого более или менее выражены у любого организма и служат единственным показателем того, жив он или мертв. Не следует, однако, забывать, что все эти признаки - лишь наблюдаемые проявления главных свойств живой материи, т.е. ее способности извлекать, превращать и использовать энергию извне. К тому же живая материя способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы.

В отличие от живой материи мертвое органическое вещество легко разрушается под действием механических и химических факторов окружающей среды. Живые существа обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неуправляемому распаду структур и веществ и бесцельному выделению энергии. Такая регуляция направлена в поддержание гомеостаза (стабильности) на всех уровнях организации живых систем от молекул до целых сообществ.

Уровни организации живой материи

К 60-м годам текущего столетия сложилось представление об уровнях организации живого как конкретном выражении иерархической упорядоченности. Жизнь на Земле представлена организмами определенного строения, принадлежащим к определенным систематическим группам (популяция, вид), а также сообществам разной сложности (биогеоценозы, биосфера). В свою очередь, организмы характеризуются молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, тканей и т.д.), с другой - сам является единицей в составе надорганизменных биологических систем (популяций, видов, биогеоценозов, биосферы в целом).

Существование жизни на всех уровнях определяется структурой низшего уровня. Например, характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями; организменного - клеточным, тканевым, органным; популяционно-видового - организменным и т.д. Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низших уровнях и все возрастающее различие на высших уровнях.

Выделяют  следующие уровни организации живой материи на базе разных способов структурно-функционального объединения составляющих элементов:

Уровень

Определение и краткая характеристика

Молекулярный

20 аминокислот и 4 азотистых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот

Клеточный

Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех организмов. Только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. У одноклеточных организмов этот уровень совпадает с организменным

Тканево-органный

Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь 5 основных тканей входят в состав органов всех многоклеточных животных и 6 основных тканей образуют органы растений

Организменный или онтогенети-

ческий

Характеризуется трудновообразимым многообразием форм. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов высших растений. Организм как целое (особь) - элементарная единица жизни. Вне особей жизни не существует. На этом уровне протекают процессы онтогенеза

 

Популяционно-

видовой

Совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, свободно между собой скрещивающихся, составляет популяцию. Популяция - это элементарная единица эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования

Биоценотиче-

ский

Биоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций разных видов, связанных между собой и с окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации. Являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов

Биосферный

Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, где живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему

Главные уровни организации жизни можно представить и в виде следующего ряда: ген, клетка, орган, организм, популяция, биоценоз, экосистема (в том числе – биосфера). Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем.

Основные термины

ПОПУЛЯЦИЯ (народ) - группа особей одного вида, занимающая определенное пространство.

БИОЦЕНОЗ или сообщество (совместная жизнь) - все популяции разных видов, взаимодействующие между собой на определенной территории, называемой БИОТОПОМ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (экосистема, биогеоценоз) - это биоценоз и неживая среда, функционирующие совместно.

К экосистема можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средой обитания –от небольшого озера или пруда до Мирового океана, от отдельного дерева, куста до крупных лесных массивов, например, тайги.

Экосистемы отличаются как по составу биоценозов, так и по условиям обитания  биоты. Условия обитания определяются совокупным воздействием экологических факторов.

Экологические факторы

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ - любой компонент среды, способный оказать непосредственное влияние на живые организмы, а также на характер их отношений друг с другом.

Выделяют абиотичнские, биотические, антропогенные факторы.

Абиотическими называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди абиотических факторов часто выделяют: климатические (температура, влажность воздуха, ветер , свет и др.), гидрографические – факторы водной среды (течение, солёность, колебание уровня воды, приливы и др.), почвенные (количество гумуса, структура почвы, минеральный состав, содержание макро- и микроэлементов и др.), геологические (состав пород, геологические процессы и др.) и др.

Биотические факторы – совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания (в том числе внутривидовое и межвидовое взаимодействие).

Антропогенные факторы – факторы, порожденные хозяйственной и иной деятельностью человека и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, изменение рельефа и других элементов ландшафта, создание источников повышенного шума, электромагнитного и других видов излучения и др.).

Обмен веществом и энергией в экосистемах.

Вещество экосистем постоянно находятся в движении. Важнейшее свойство любой экосистемы — это циркуляция, обмен веществ и энергии между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.

Главным предметом исследования при экосистемном подходе в экологии становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, т.е. возникающий биогеохимический круговорот веществ в экосистеме в целом (рис. 1).

Рис. 1. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в природных экосистемах.

Энергетической базой всех биологических процессов (круговоротов, циклов) является солнечный свет, обеспечивающий фотосинтез.

Основными формами обмена вещества и энергии в экосистеме между её компонентами: растениями, животными, микроорганизмами и окружающей средой, являются фотосинтез, дыхание живых организмов и разнообразные пищевые связи.

По роли, которую играют живые вещества в биологическом круговороте они делятся на:

АВТОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ (продуценты),  использующие неорганические источники для своего существования, тем самым, создавая органическую материю из неорганической.. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зелёные растения суши, водной среды, сине-зелйные водоросли, некоторые хемосинтезирующие растения и др.

ГЕТЕРОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ (консументы и редуценты) — потребители готовых органических веществ растительного и животного происхождения (потребители первого, второго и др. порядков). Они создают вторичную биологическую продукцию.

(Справка. 1) консументы — потребители первичной или вторичной биологической продукции 2) редуценты или деструкторы (разрушители), к которым относятся преимущественно микроорганизмы и грибы. Редуценты разлагают остатки мёртвых животных и растений, превращая их в простые минеральные соединения. Они завершают биологический круговорот в экосистемах).

Перераспределение энергии в экосистемах

Перенос энергии в экосистемах между живыми существами происходит в ходе питания в так называемых пищевых цепях (трофическая цепь).

Пищевая цепь это ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый предыдущий служит пищей последующему.

Это процесс переноса энергии от её источника — растений через ряд организмов путём поедания одних видов другими. В основе трофической цепи лежат зелёные растения, которыми питаются насекомые и позвоночные животные, в свою очередь служащие источником энергии и вещества для построения тела потребителей второго, третьего и др. порядков (хищников).  С каждым звеном цепи организмы становятся крупнее, они медленнее размножаются, их число уменьшается.

При этом следует учитывать, что зелёная растительность даже при условии максимального притока атмосферного углекислого газа усваивает не более 5% поступающей на земную поверхность солнечной энергии. Обычно эта величина ещё меньше от 0,1 до 1 %.

Общая закономерность построения трофических цепей состоит в том, что количество особей, включённых в трофическую цепь, последовательно уменьшается и число жертв значительно больше численности их потребителей. Это происходит потому, что в каждом звене пищевой цепи, при каждом переносе энергии 80-90% её теряется, рассеиваясь в форме тепла.

Это обстоятельство ограничивает число звеньев в цепи. Обычно их        3 — 5. В среднем из 1000 кг (1т) растительности образуется 100 кг тела травоядных животных. Хищники, поедающие травоядных животных, могут построить из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищники — только 1 кг. Следовательно, масса каждого следующего в цепи звена прогрессивно уменьшается. Это правило носит название правило экологической пирамиды.

На основе изучения переноса энергии в трофических  цепях                            Р. Линдеманом сформулирован закон пирамиды энергий: с одного трофического уровня экологической пирамиды на другого переходит в среднем не более 10 % энергии.

Трофические цепи могут перекрещиваться, образуя трофические сети питания.

                  

Рис. 2 Пример экологической пирамиды для биоценоза суши

                      

Рис. 3 Пример экологической пирамиды для морского биоценоза


Продуценты

онсументы

1-го порядка

Консументы

2-го порядка

Редуценты

Минеральные вещества

Солнце


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8977. Структура эмпирического знания 38.5 KB
  Структура эмпирического знания Само эмпирическое знание имеет довольно сложную структуру, в которой можно выделить четыре уровня: а) единичные эмпирические высказывания (протокольные предложения), которые фиксируют результаты единичных наблюдений....
8978. Структура теоретического знания 34 KB
  Структура теоретического знания Для выяснения специфики теоретического познания важно подчеркнуть, что теория строится с явной направленностью на объяснение объективной реальности, но описывает непосредственно она не окружающую действительность...
8979. Научная картина мира: ее функции и исторические формы 29 KB
  Научная картина мира: ее функции и исторические формы. НКМ (Степин) – целостная система представлений о мире, его структурных характеристиках и закономерностях, вырабатываемая в результате систематизации и синтеза в фундаментальных достижениях...
8980. Основания науки 34 KB
  Основания науки Наука, выступая как целостная, развивающаяся система, имеет собственные основания, обладает идеалами и нормами исследования. Эти характеристики пронизывают науку и как специфическую форму деятельности, и как совокупность дисциплинарн...
8981. Формирование первичных теоретических моделей и законов 35.5 KB
  Формирование первичных теоретических моделей и законов. Модели играют большую роль в научно-теоретическом познании. Они позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия: например, модель атома,...
8982. Научная революция. Появление аномалий и кризис 38.5 KB
  Научная революция Появление аномалий. Как мы отмечали выше, факты, с которыми имеет дело научная теория, можно разделить на три группы: факты, которые она успешно объясняет факты, которых она пока не объясняет, но есть надежда, что со временем ей э...
8983. Главные характеристики современной постнеклассической науки 40.5 KB
  Главные характеристики современной постнеклассической науки 1. Широкое распространение идей и методов синергетики - теории самоорганизации и развития систем любой природы. В этой связи становится все более укрепляющееся представление о мире не...
8984. Постнеклассическая наука и изменение мировоззренческих установок техногенной цивилизации 36 KB
  Постнеклассическая наука и изменение мировоззренческих установок техногенной цивилизации. Современный техногенный мир сложен, техногенная цивилизация ориентирована на ускоренное изменение природной среды, сопровождаемое видоизменением социальных свя...
8985. Структура и функции науки 36.5 KB
  Структура и функции науки Понятие бытия включает в себя природу, человека и общество. В зависимости от этих трех сфер бытия выделяются три основных направления научного знания: естествознание, человекознание и обществознание. Естествознание - это со...