2. 2. Структура екології
Екологія складається з трьох взаємопов'язаних наукових підрозділів:
аутекології, демекології та синекології.
Аутекологія - розділ екології, який вивчає пристосованість окремих видів рослин і тварин до умов середовища та способи життя виду. Термін введений у 1896 р. Шретером.
Відповідно до структурної організації виду А. вивчає вид на рівні організмів і популяцій. На рівні організмів (особин, індивідів) А. досліджує норми реакції виду на вплив екологічних чинників і визначає межі стійкості і зони переваги в просторі дії цих чинників, тобто встановлює для кожного виду, що вивчається його екологічну нішу (т.з. факторіальна екологія). Разом з тим А. досліджує вплив екологічних чинників на морфологію, фізіологію і поведінку організмів, вивчає життєві форми, цикли розвитку, біоритми відповідно адаптації виду до умов існування.
Демекологія - один з розділів екології, що вивчає умови формування, структуру і динаміку розвитку популяцій окремих видів. Термін введений у 1963 р. Швердтфегером. Цей розділ ще називають динамікою популяцій або популяційною екологією. Завдяки Д. дослідження основних характеристик популяцій, а саме: їхнього вікового складу, чисельності та щільності, народжуваності і смертності, поширення і характеру розселення, співвідношення статей тощо Д. має велике значення для розробки теоретичних засад і практичних заходів раціонального використання й охорони окремих видів рослин, тварин та мікроорганізмів. Так, на основі даних Д. проводить прогнозування в рибництві й рибальстві, мисливському господарстві, ветеринарії та інших галузях народного господарства, а також розробляють системи заходів щодо використання корисних і регуляції розмноження шкідливих видів.
Синекологія - розділ екології, що на відміну від аутекології вивчає стосунки між особинами, що належать до різних видів даного багатовидового угруповання організмів (біоценозу, екосистеми), а також між ним і оточуючим середовищем. Термін запропонований у 1902 році швейцарським ботаніком К.Шретером. у 1902 році був прийнятий Брюссельським міжнародним конгресом для позначення вчення про рослинні угруповання - фітоценози. Пізніше С. перетворилася на вчення про угруповання організмів. Вивчає асоціації організмів, що становлять біоценози, шляхи їхнього формування й розвитку, структуру, взаємодію з чинниками середовища, продуктивність, а також міжвидові (у т.ч. симбіоз) та внутрішньовидові відносини в популяціях тощо. Базуючись на даних аутекології, С. розглядає окремі елементи угруповання (якісно і кількісно) у їхній взаємодії, що дає змогу охарактеризувати кругообіг речовин енергії в екосистемах.
Екологія є міждисциплінарною наукою, оскільки екологічні проблеми в житті людства вийшли на перший план і їх розв’язанням почали займатися вчені практично всіх наукових напрямів – біології, геології, фізики, хімії, математики, соціології, економіки. Сьогодні існує близько 90 напрямів (розділів і підрозділів) сучасної екології, які сформувались впродовж останніх десятиліть в усіх галузях людської діяльності, де йдуть процеси екологізації. Ці напрямки умовно об’єднані в чотири блоки: біоекологію, геоекологію, техноекологію, соціоекологію. Особливості окремих блоків сучасної екології можна визначити так.
Біоекологія є головною складовою загальної екології. Вона вивчає відносини організмів (особин, популяцій, біоценозів) між собою та навколишнім середовищем. Біоекологія – основа сучасної екології.
Геоекологія, техноекологія, соціальна екологія є складовими соціальної та прикладної екології.
Геоекологія вивчає специфіку взаємовідносин організмів і середовища їх існування в різних географічних зонах, дає екологічну характеристику різних географічних регіонів, розглядає наслідки видобутку корисних копалин, займається екологічним картографуванням.
Соціальна екологія займається вивченням специфічної ролі людини в довкіллі як соціальної істоти, вивчає шляхи оптимізації взаємовідносин людського суспільства з природою, займається формуванням екологічної свідомості, екологічної культури.
Техноекологія займається вивченням обсягів, механізмів і наслідків впливів на довкілля та здоров’я людини різних галузей, особливостей використання ними природних ресурсів (енергетика, промисловість, транспорт, військова справа, сільське господарство, космос).
Агроекологія – наукова дисципліна, яка вивчає взаємозв’язки людини з довкіллям у процесі сільськогосподарського виробництва. Головна мета агроекології – забезпечення сталого виробництва якісної біологічної продукції, збереження і відтворення природно – ресурсної бази аграрного сектора, ефективна екологізація всіх галузей сільськогосподарського виробництва.
Урбоекологія досліджує проблеми урбанізованих і промислових територій. Активно розвиваються такі напрямки, як екологічна техніка, екологічна політика, економіка природокористування та інші.
До нових напрямів екології можна віднести:
аудит екологічний – це екологічне обстеження підприємства, перевірка здатності виробничих систем до самоочищення й випуску екологічно чистої продукції;
бізнес екологічний – будь-яка комерційна діяльність, що поліпшує екологічні умови, сприяє охороні навколишнього середовища, екологізації виробництва.
менеджмент екологічний – це система ефективного управління природоохоронною діяльністю з використанням нових підходів, на базі адміністративних механізмів управління та економічного стимулювання;
політика екологічна – система концепцій, принципів, заходів, що визначає вплив суспільства на навколишнє природне середовище, тактику й стратегію екологічно збалансованого розвитку
Розгалуженість структури сучасної екології свідчить про те, що її формування ще не закінчено, а тільки починається.
3 Об'єктом вивчення екології є екосистеми. Цей термін запропонований у 1935 році англійським ботаніком А. Тенслі. В це поняття входить не лише комплекс організмів, а й комплекс факторів навколишнього природного середовища. Популяції різних організмів тісно взаємопов’язані не тільки між собою, але і з умовами фізичного середовища існування. Зокрема, вони дістають з довкілля певні речовини, потрібні для забезпечення їхньої життєдіяльності та виділяють туди продукти обміну. Таким чином угруповання організмів утворюють із фізичним середовищем певну систему – екосистему. В кожній екосистемі відбувається кругообіг речовин та обмінні енергетичні процеси. Екосистема – це сукупність організмів різних видів, які взаємодіють між собою і з фізичним середовищем існування, завдяки чому виникає потік енергії, який створює певну трофічну структуру і забезпечує кругообіг речовин усередині системи. Термін екосистема близький до терміна біогеоценоз, введеного в обіг російським ученим В. Сукачовим у 1940 році.
Біогеоценоз – природна ділянка земної поверхні з певним складом живих і неживих компонентів і динамічною взаємодією між ними. Ці два поняття майже ідентичні, можливо, перше ширше і останнім часом воно більш уживане.
Структура біогеоценозу (екосистеми).
Біогеоценоз містить два компоненти:
біотоп (грец. топос – місце) – сукупність на певній території абіотичних факторів – кліматичних і ґрунтових;
біоценоз – сукупність живих організмів: I – рослин (фітоценоз), II – тварин (зооценоз); III – мікроорганізмів (мікробіоценоз); IV – грибів (мікоценоз) – біотичний фактор.
Кожний біоценоз має:
видову структуру (різноманітність видів, співвідношення їх чисельності);
просторову структуру, яка визначається ярусним розташуванням різних видів рослин;
екологічну структуру, яка визначається співвідношенням популяцій різних екологічних груп організмів за типом живлення.
Розрізняють автотрофи – організми, що здатні утворювати органічні речовини з неорганічних за допомогою сонячного світла (фотосинтез) або енергії хімічних реакцій (хемосинтез). Гетеротрофи – організми, що живляться готовими органічними речовинами. У кожній екосистемі можна виділити такі компоненти:
1) неорганічні речовини (вуглець, азот, вуглекислий газ, вода та ін.), які вступають у кругообіг;
2) органічні речовини (білки, вуглеводи, ліпіди та ін.), які об’єднують біотичну та абіотичну частини екосистеми;
3) клімат (температура, вологість, тиск та ін.);
4) продуценти – автотрофні організми, здатні утворювати органічні сполуки з неорганічних;
5) консументи – гетеротрофні організми, які споживають готову органічну речовину;
6) редуценти (деструктори) – гетеротрофні організми, які розкладають органічну речовину до неорганічних сполук.
Класифікація екосистем
За масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистеми (калюжа, ставок), мезоекосистеми (ліс, озеро), макроекосистеми (континент, океан). Глобальною екосистемою є біосфера.
За ступенем трансформації людською діяльністю екосистеми поділяються на природні, антропогенно-природні та антропогенні. У промислово розвинутих країнах майже не залишилось природних екосистем, не видозмінених діяльністю людини. Лісові насадження, луки, ниви – все це антропогенно-природні екосистеми, які хоча й складаються з природних компонентів, але створені і регулюються людьми. До антропогенних екосистем належать такі, в яких переважають штучно створені антропогенні об'єкти і крім людей можуть існувати лише окремі види організмів, що пристосувались до цих специфічних умов. Прикладом таких екосистем є міста, промислові вузли, села, кораблі.
Залежно від роду діяльності людини антропогенні екосистеми поділяють на:
1) промислові (екосистеми металургійного заводу, харчового виробництва та ін.);
2) сільськогосподарські (агроценози, птахофабрики, тваринницькі ферми та ін.);
3) міські екосистеми – урбоекосистеми (екосистеми комунального господарства, житлового будинку та ін.).
Раніше від інших були створені людиною сільськогосподарські екосистеми з метою забезпечення її потреб у продуктах харчування. Агроценози (грец. „агрос” – поле і „ценоз” – загальний) – це ценози, що утворюються і підтримуються людиною завдяки розробленій нею системі агротехнічних та агрохімічних заходів. Вони характеризуються видовою бідністю і одноманітністю, що обумовлює слабку стійкість агроценозів, збільшення кількості шкідників і бур’янів. Без постійного втручання людини вони руйнуються і зникають. Агроценози характеризуються високою продуктивністю одного або кількох видів рослин і тварин і постачають людству до 90% продуктів харчування.
Відповідь на основне запитання ринкової економіки — що, як і для кого продукувати? - передбачає наявність цілої низки факторів виробництва, як можуть бути використані для створення деякого продукту.
Фактори виробництва (ФВ, factor of production) – ресурси. які необхідно затратити для виробництва товару.
Такими ФВ є праця та технологія (людські ресурси), земля та капітал (майнові ресурси).
Праця — фізична та розумова діяльність людини, спрямована на досягнення корисного результату.
Технологія — наукові методи досягнення практичних цілей, включаючи підприємницькі здібності.
Земля — усе, що надала природа у розпорядження людини для його виробничої дяльності (земля, повітря, корисні копалини, вода повітря, ліси тощо).
Капітал — накопичений запас коштів у виробничій, грошовій і товарній формах, необхідний для створення матеріальних та нематеріальних благ.
4.Трофічні рівні — групи організмів, що пов'язані харчовими зв'язками, які забезпечують необхідний рівень обмінних процесів в екосистемі (біоценозі) і займають певне положення в загальному ланцюгу живлення. Рослини (продуценти) в процесі фотосинтезу утворюють основну біомасу екосистеми, за рахунок якої живуть тварини (консументи) і більшість мікроорганізмів (редуценти). Частина з них споживає безпосередньо живі рослини або рештки рослин (1-й Т.р.). Інші живляться тваринами — консументами (хижаки, паразити), утворюючи 2-й, а іноді 3-й і 4-й Т.р. Залежно від якісного і кількісного складу біоценозів Т.р. можуть мати різні ступені складності.
Ланцюги живлення – послідовність груп організмів, кожна з яких (ланка живлення) є їжею для наступної ланки, тобто зв’язані відношенням їжа – споживач (хижак – жертва, паразит – господар тощо).
Первинна продукція - це частина живої речовини, яка створюється завдяки діяльності організмів з автотрофним типом живлення. У межах первинної продукції розрізняють валову та чисту продукцію. Валовою продукцією називають масу органічної речовини, яка утворюється при фотосинтезі або хемосинтезі. Але, природно, якась частина первинної продукції витрачається на дихання. Залишок органічних речовин після цих витрат і становить чисту продукцію. Різниця між валовою та чистою продукцією досить велика, чиста продукція складає 40-80% валової продукції. Для екології основне значення має чиста продукція і тому, оцінюючи процес біопродукування, звичайно мають на увазі саме чисту продукцію.
Вторинна продукція складається з органічних речовин, які утворюються при гетеротрофному типі харчування. Вторинна продукція завжди менша, ніж первинна, оскільки, по-перше, не вся первинна продукція з'їдається гетеротрофними організмами, частина її накопичується у ґрунті у формі гумусу (доречі, кам'яне вугілля - це також залишок мінералізованої біомаси, яка створена автотрофними організмами), і, по-друге, гетеротрофи не можуть забезпечити 100% перетворення первинної продукції у вторинну.
Біомаса - кількість речовин живих організмів, яка нагромаджена в популяції, біоценозі або біосфері на будь-який момент часу. Виражається в одиницях сирої або сухої маси, іноді в одиницях енергетичного еквівалента на одиницю поверхні або об'єму. У біосфері Б. рослин (фітомаса) становить 99 %, тварин (зоомаса) - лише 1 %. Величина Б. на Землі, залежить від кількості сонячної енергії, що фіксується рослинами в процесі фотосинтезу (0,1-0,2 % сонячної енергії, яку дістає Земля щороку), і кількості речовин, що беруть участь у біологічному колообігу речовин. Величина Б. та швидкість її збільшення характеризують біологічну продуктивність виду, угруповання або екосистеми. Вивчення Б. має велике значення для раціонального використання ресурсів біосфери і організації охорони природи.
5 Закон Лібіха (закон мінімуму) – екологічний закон, який стверджує, що найбільший обмежувальний (лімітуючий) ефект на організм, популяцію або угруповання організмів виявляють ті життєво важливі фактори середовища, кількість (концентрація) яких близька до мінімального критичного рівня. Так, у період посухи при інших сприятливих умовах різко зменшується чисельність гігрофілів, нестача кисню у воді спричинює масове вимирання багатьох гідробіонтів. Закон сформулював у 1840 році німецький агрохімік Ю.Лібіх і запропонував його застосування для регулювання величини шляхом добавки поживних речовин, що містяться в ґрунті в невеликій кількості. З.Л. – окремий випадок закону толерантності.
Закон толерантності сформулював американський вчений В.Шелфорд у 1913 р. Закон толерантності стверджує, що можливість життя або розквіту будь-якого організму (виду) в даному місцеперебуванні визначається не тільки кількісним мінімумом (див. закон Лібіха), а й максимумом екологічного фактора. Ці величини визначають діапазон толерантності (витривалості) виду, за межами якого фактор діє вже як лімітуючий. Межі толерантності до певного фактора можуть змінюватися залежно від умов перебування і фізіологічного стану організму. В окремих видів може бути широкий діапазон толерантності до одних факторів і вузький - до інших. Ступінь толерантності організмів в екології звичайно позначають за допомогою префіксів: «еври» - широкий і «стено» - вузький (напр., еврибіонти, стенобіонти).
Закон зниження енергетичної ефективності природокористування - У збільшенні витрат енергії на виробництво одиниці продукції. За останні 100 років витрати енергії на виробництво сільськогосподарської продукції зросли у 8-10 разів, а промислової – у 10-12 разів, що потребує максимальної експлуатації родовищ викопного палива (кам’яного вугілля, нафти, газу, торфу) і розвитку атомної енергетики.
Суть закону оптимальності – ніяка система не може звужуватись або розширюватись до нескінченності. Ніякий цілісний організм не може перевищити певних критичних розмірів, котрі забезпечують підтримку його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та чинників існування. У природокористуванні закон оптимуму допомагає знайти оптимальні, з точки зору продуктивності розміри для ділянок полів, вирощування рослин, тварин. Ігнорування закону – створення величезних площ монокультур, вирівнювання ландшафту масовими забудовами тощо – призводить до неприродного одноманіття на великих територіях і викликає порушення у функціонування екосистем, зумовлює екологічну кризу.
Більшість цих та інших екологічних принципів і законів вдало узагальнив американський еколог Б.Коммонер у 1974 р., звівши їх до чотирьох законів. Закон перший: усе пов´язане з усім. Екологія розглядає біосферу нашої планети як складну систему з багатьма взаємопов´язаними елементами. Ці зв´язки реалізуються за принципами зворотного негативного зв´язку (згадаємо, наприклад, систему «хижак-жертва»), прямих зв´язків (в екосистемах «працюють» усі дії логічної алгебри – «або», «і», «не»), а також завдяки різноманітним взаємодіям, що взаємовиключають одна одну. За рахунок цих зв´язків формуються гармонійні системи кругообігу речовин та енергії. Будь-яке втручання в роботу збалансованого механізму біосфери викликає відповідь одразу за багатьма напрямами, що робить прогнозування в екології надзвичайно складною справою. Закон другий: усе має кудись діватися. На прикладі біологічного кругообігу видно, як рештки й продукти життєдіяльності одних організмів є в природі джерелом існування для інших. Людина поки ще не створила такого гармонійного кругообігу в своїй господарській діяльності. Будь-яке виробництво постійно «випускає» принаймні дві речі – необхідну продукцію й відходи. Відходи самі собою не зникають: вони нагромаджуються, знову втягуються в кругообіг речовин і призводять до непередбачених наслідків. Численні приклади таких наслідків розглядатимуться в гл. 4. Закон третій: природа знає краще. «Живе складається з багатьох тисяч різноманітних органічних сполук, – пише Б. Коммонер, – і часом здається, що принаймні деякі з них можуть бути поліпшені, якщо їх замінити якимось штучним варіантом природної субстанції». Третій закон екології стверджує, що штучне введення органічних речовин, які не існують у природі, а створені людиною, але беруть участь у живій системі, швидше завдасть шкоди. Одним із найдивовижніших фактів у хімії живих речовин є те, що для будь-якої органічної субстанції, виробленої живими істотами, в природі є фермент, здатний цю субстанцію розкласти. Тому, коли людина синтезує нову органічну сполуку, яка за структурою значно відрізняється від природних речовин, цілком імовірно, що для неї немає розкладального ферменту, й ця речовина «накопичуватиметься». Другий закон допомагає зрозуміти, які наслідки матиме таке накопичення. Закон четвертий: ніщо не дається задарма. «Глобальна екосистема являє собою єдине ціле, в межах якого ніщо не може бути вигране або втрачене й яке не може бути об´єктом загального поліпшення: все, що вилучається з неї людською працею, має бути відшкодоване. Сплати за цим векселем не можна уникнути, її можна лише відстрочити», – пише Б. Коммонер. Четвертий закон стверджує: природні ресурси не нескінченні. Людина в процесі своєї діяльності нині бере у природи в «борг» частину її продукції, залишаючи під заставу ті відходи й ті забруднення, яким не може чи не хоче запобігти. Цей борг зростатиме доти, доки існування людства не опиниться під загрозою й люди сповна не усвідомлять необхідність усунення негативних наслідків своєї діяльності. Це усунення потребуватиме дуже великих затрат, які й стануть сплатою цього боргу.