Дисциплина «Общая экология»

Вопрос 1. Экология как наука. История формирования экологии. Этапы исторического развития. Предмет, задачи и методы исследований современной экологии, положение экологии в системе естественных наук. Направления развития современной экологии. Экология - теоретическая основа рационального природопользования.

Экология (Э. Геккель, 1866) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

Экология возникла как биологическая наука, и в настоящее время развивается как один из фундаментальных разделов биологии. Экология является теоритической основой рационального ИПР, а также научной базой для разработки стратегии и практики, для дальнейшего развития человечества и общества.

Этапы развития экологии как науки:

Всю историю экологии как науки можно разделить на 5 основных этапов:

1. Этап накопления экологических сведений о взаимодействии растений и животных со средой обитания. Начался с глубокой древности до конца 18 века. Это самый длительный этап выделяются в нем 3 периода.

А) Период древнегреческих философов: Гиппократ – описал влияния факторов среды на здоровья человека. Аристотель – занимался и описал поведения более 500 животных и классифицировал их по образу жизни, и по потребностям. Теофраск – считается отцом ботанике, впервые описал зависимости формы растений от климатических условий.

Б) Период средневекового застоя: не было накопления экологических знаний, так как доминировала теологическая теория. Условия среды не учитываются.

В) Период эпохи возрождения: период великих географических открытий. Экспедиции Крашенинникова и Лепехина указывают на взаимосвязь флоры и фауны с климатом.

2. Этап формирования экологических направлений в рамках ботанической и зоологической географией. Продолжался с конца 18 до середины 19 века. Достижения Гумбольдта 1807 год – идея географии растений, Жан Батист Ламарк – философия зоологии, профессор Рулье – основатель экологии животных.

3. Этап формирования экологии растений и экологии животных с середины 19 до 20 годов 20 века. Выход в свет трудов Дарвина 1859. Спустя 7 лет 1866 году употребляется термин экология. 1877 год Мебиус понятие Биоценоз.

4. Этап становления экологии как биологической науки, являющийся теоретической базой для охраны ОС и рационального природопользования. С 20 по 60 года 20 века. Учение о биосфере Вернадский 1926 год. Тенсли 1935 год – экосистема, 1942 год Сукачев – биогеоценоз.

5. Этап развития глобальной экологии с выделением в ее рамках такой науки как антропоэкология 60 годов прошлого столетия по настоящее время.

Предмет: живые организмы во всей совокупности их взаимосвязи со средой.

Основная задача: изучение вопросов, связанных с управлением функцией органического мира в естественной среде их обитания.

Аутэкология – экология особи

Демэкология – экология популяции

Синэкология (биогеоценология) – экология сообществ

Глобальная экология – экология биосферы

Методы – совокупность частных приемов исследований. Основные группы:

Наблюдение (выявление результата воздействия среды на живые организмы);

Эксперимент (выявление причин явлений);

Моделирование (воссоздание процесса в искусственных системах и прогноз).

Положение среди других наук: экология возникла и развивалась как биологическая наука. С середины ХХ века вышла за рамки биологической науки, стала тесно связанной с географическими науками, геологией, медициной, сельскохозяйственными, юридическими, педагогическими науками,

В настоящее время происходит экологизация всех отраслей знаний.

Экология – теоретическая основа охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов.

Экология - одна из сравнительно молодых и бурно развивающихся биологических наук.

Экология как общая биологическая наука может быть расчленена на составные части: экологию растений, экологию насекомых, экологию лесных пород и т.д.

По отношению к предметам изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов (прокариот), грибов, растений, животных, человека, сельскохозяйственную, промышленную (инженерную), общую экологию.

По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, морскую, Крайнего Севера, высокогорий, химическую (геохимическую, биохимическую).

По подходам к предмету выделяют аналитическую и динамическую экологии.

С точки фактора времени рассматривают историческую и эволюционную экологии. В системе экологии человека выделяют социальную экологию, отличающуюся от экологии индивида и экологии человеческих популяций по функционально-пространственному уровню, равную синэкологии, но имеющую ту особенность, что сообщества людей в связи с их средой имеют доминанту социальной организации.

Экология – теоретическая основа рационального природопользования. В конце 20 столетия происходит «экологизация» науки. Это тесно связано с осознанием огромной роли экологических знаний, с пониманием того, что деятельность человека зачастую не просто наносит вред ОС, но и воздействует на нее отрицательно, изменяя условия жизни людей, угрожает самому существованию человечества.

Вопрос 2. Учение о средах жизни. Понятия: среда жизни, биотоп. Четыре среды жизни на Земле: наземно-воздушная, водная, почва, живой организм. Морфологические, анатомические, физиологические и поведенческие адаптации организмов к среде.

Для жизни организмов необходимо несколько сред. Например, сугубо водными являются иглокожие, рыбы и пр. Среды жизни подразделяются на конкретные среды обитания, которые в свою очередь подразделяются на местообитания.

Среда жизни – часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие.

Биотоп – пространство с более или менее однородными условиями среды, занимаемое биоценозом.

Четыре среды жизни на Земле:

Водная (обитатели – гидробионты):

высокая плотность: определяет передвижение организмов и разницу давления на разной глубине;

текучесть: движение воды обеспечивает выравнивание всех параметров (температура, химический состав);

вода – раствор: в ней растворены минеральные соли, СО₂, О₂; есть взвешенные твердые частицы, определяющие мутность;

сглаженный температурный режим: нет резких колебаний температуры; высокая удельная теплоемкость и низкая удельная теплопроводность;

особый световой режим: количество света резко убывает с глубиной, в максимально прозрачной воде свет достигает глубины 200 м.

Почвенная (обитатели – педобионты):

сложная среда с очень богатой и разнообразной фауной и микробиотой;

трехфазная система (твердо-жидко-газообразная);

плотная среда;

пористость: определяет циркуляцию воды, воздуха, передвижение организмов;

отсутствие света;

много СО₂, мало О₂;

сглаженные температурный и влажностный режимы.

Наземно-воздушная (обитатели – аэробионты и терробионты):

самая сложная по экологическим условиям;

многообразие условий жизни и многообразие форм жизни;

много СО₂, много О₂;

много солнечной радиации;

большие колебания температуры, освещенности, влажности, носящие периодический характер и определяющие периодизм жизни организмов;

Живой организм (обитатели – эндопаразиты и симбионты):

обилие легкодоступной пищи;

защищенность от непосредственных воздействий факторов внешней среды;

недостаток О₂;

ограниченность среды обитания во времени и пространстве.

Среды жизни различают по специфике условий; организмы, населяющие их, имеют специфические приспособления для жизни в этих средах (адаптации).

Способность к адаптации – одно из основных свойств жизни. 4 группы адаптаций:

Морфологические (форма тела, внешний облик);

Анатомические (внутреннее строение организма);

Физиологические (функционирование организма в целом и отдельных его органов);

Поведенческие (этологические).

Вопрос 3. Экологические факторы. Понятие экологического фактора. Современные классификации экологических факторов по происхождению и по характеру воздействия. Общие закономерности действия на организмы. Закон оптимума. Экологическая классификация организмов. Закон выносливости. Понятие лимитирующего фактора. Изменчивость факторов среды. Взаимодействие экологических факторов. Главные и второстепенные экологические факторы.

Экологический фактор – любой элемент среды, оказывающий прямое воздействие на организм и по отношению к которому у организма вырабатываются адаптации.

Классификация экологических факторов:

I По происхождению:

Абиотические: влияния костных неживых тел природы

климатические (температура, свет, вода);

эдафические (почво-грунтовые);

орографические (топографические).

Биотические: воздействие организмов друг на друга

фитогенные (прямые (паразитизм, симбиоз, механические контакты) и косвенные (влияние растений на среду обитания);

зоогенные (прямые и косвенные);

микробогенные и микогенные).

Антропогенные – влияния деятельности человека. ( промышленное, с.х производства)

II По характеру воздействия (Мончадский А.С.):

Периодические (факторы, значения которых периодически меняются в течении суток, сезона, года или по годам)

первичные (температура, освещенность, приливы/отливы), связаны с вращением Земли; адаптации наиболее древние и совершенные;

вторичные (влажность, пища), следствие первичных факторов; адаптации не так четко выражены, но более разнообразны.

Непериодические (обычно не существуют, проявляются внезапно – наводнения, извержение вулкана, и т.п., антропогенные факторы), к большинству факторов этой группы адаптаций не существует.

Закономерности воздействия экологических факторов: подавляющее большинство экологических факторов характеризуется большой изменчивостью в пространстве и во времени, однако в характере их воздействия на организм и в ответных реакциях можно выявить общие закономерности.

З акон оптимума (толерантности) Шелфорда: у каждого живого организма в отношении различных экологических факторов существует пределы выносливости, между которыми распологается его экологический оптимум ( самый благоприятный)

I Зона оптимума (нормальной жизнедеятельности)

II Зона пессимума (угнетения)

min и max – критические значения экологического фактора, за пределами которых особь не может существовать

Значения фактора между критическими точками – зона выносливости (экологическая валентность).

По величине экологической валентности различают:

эврибионты (большая экологическая валентность): эвритермный, эврибатный, эвригалинный (бурый медведь, волк, лисица; тростник, ряска, крапива);

стенобионты (узкая экологическая валентность): стенобатный и пр. (форель;орхидея).

Лимитирующий фактор - это экологический фактор ограничивающий жизнедеятельность организмов, определяет географическое распределение вида.

Изменчивость факторов среды: суточная, сезонная и пр.

Закономерности взаимодействия экологических факторов друг с другом:

оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к тому или иному фактору могут заметно смещаться в зависимости от того, в каком сочетании и с какой силой действуют одновременно другие факторы;

к каждому из факторов среды виды приспосабливаются относительно независимым путем, т.е. степень выносливости к одному фактору не означает выносливости к остальным;

один фактор нельзя заменить другим фактором (например, свет для растений нельзя заменить теплом).

4. Температура как экологический фактор. Особенности изменения теплового режима на Земле. Специфика теплообмена у живых организмов. Пойкилотермия, гомойотермия, гетеротермия. Способы терморегуляции у пойкилотермных организмов: физиологические и физическая и поведенческая. Экологические преимущества пойкилотермии и гомойотермии.

1)Тепловой режим – одно из важнейших условий существования организмов, т.к. все физиологические процессы в них происходят лишь при определенной температуре. Тепловой режим на земном шаре крайне неоднороден, следовательно существуют определенные закономерности теплового режима на поверхности земли.

Приход тепла на земную поверхность обеспечивается солнечной радиацией. Количество доходящей до земли солнечной радиации зависит от продолжительности дня, от прозрачности атмосферы, от угла падения солнечных лучей, таким образом, приход тепла на земную поверхность по разному представлен на разных широтах и высоте над уровнем моря, обеспечивая тем самым разный температурный режим в разных районах земного шара.

2) Физико-химические процессы в клетке могут протекать от 0 до +50 градусов цельсия. Экологический оптимум для большинства видов от +20 до +30. Однако жизнь на земле существует всюду, несмотря на ограничения - благодаря к адаптациям в крайних температурах.

Важнейшим механизмом – является интенсивность обмена веществ – по этому параметру все организмы делятся на 3 экологические группы:

1. Пойкилотермные – характеризуются низким уровнем обменных процессов, непостоянной температурой тела, почти полным отсутствием механизмов терморегуляции (поддержание постоянной температуры тела), растения, все беспозвоночные, низшие позвоночные.

2. Гомойотермные – характеризуются высокой интенсивностью окислительно-восстановительных реакций, постоянной температурой тела, четко выраженной способностью к терморегуляции (птицы)

3. Гетеротермные – животные с колеблющимся уровнем обмена вв, и температурой тела в течении суток, или в отдельные сезоны (ежи, суслики, медведи).

Основные адаптации пойкилотермных организмов:

1. Физиологические адаптации - впадают в состояние анабиоза(приостановка всех жизненных процессов организма)

2. Поведенческая – перемещаются в более благоприятные условия обитания

Экологические преимущества пойкилотермии и гомойотермии:

1.По характеру изменения интенсивности обменных процессов, при изменении температуры, они прямо противоположны

2. Пойкилотермным организмам нужно меньше корма, пища как строительный а не энергетический материал, а так как они не способны к терморегуляции, значит территории земного шара становятся для них недоступными из-за низких температур

3. Гомойотермные меньше зависят от температуры ОС.

5. Свет как экологический фактор. Роль света в жизни растений. Экологические группы растений по отношению к свету и их адаптации к световому режиму. Сигнальное значение света. Биологические ритмы: суточные, сезонные и многолетние. Сущность явления фотопериодизма у растений и животных.

Свет является первичным и основным источником энергии на земле, без которого жизнь не возможна.

Свет как экологический фактор имеет 2 важных значения:

1. В жизни растений: без света не возможна фотосинтезирующая деятельность зеленых растений. Фотосинтез, в результате которого в органах растений образуется первичное органическое вещество, в конечном счете, являющееся пищей для всех жизненных организмов – является важным процессом. Человеческий глаз воспринимает солнечные лучи 380-750нм, область солнечного света, используемая растениями при фотосинтезе 380-710нм-ФАР(физиологически активная радиация). Внутри ФАР наибольшее значение для фотосинтеза имеют красно-оранжевые лучи 600-800нм, желто-зеленые лучи имеют наименьшее значение 500-600нм.

Т.к. свет является частью солнечной радиации, закономерности распределения его на земле аналогичны соответствующим закономерностям распределения солнечной радиации(см температуру).

Экологические группы растений по отношению к свету:

- гелиофиты (светолюбивые)

-сциофиты (тенелюбивые)

-теневыносливые (факультативные гелиофиты)

Эти группы различаются положением экологического оптимума фотосинтеза.

У светолюбивых(гелиофиты) он находится в области сильной освещенности, и сильное затенение действует на них плохо. К ним относятся растения хорошо освещенных местообитаний(степь, луг, светлых лесов)

Тенелюбивые (сциофиты) – оптимум в области слабой освещенности, и не выносят сильного света, относятся все виды сильно затененных обитаний. Теневыносливые – имеют широкую экологическую амплитуду по отношению к свету, адаптируются к затенению(луговые растения, лесные травы и кустарники, и тд)

Основные адаптации к световому довольствию у сциофитов и гелиофитов:

Признаки	Гелиофиты	Сциофиты
1. размеры листьев	мелкие	Крупные
2.расположение листьев	Вертикальное или косое	горизонтальное
3.приспособление к ослаблению и отражению света	Восковой налет, блестящая поверхность, толстая кутикула, волоски	отсутствуют
4. количество хлорофила	много	мало
5. интенсивность фотосинтеза	высокая	низкая

Вывод: даже для светолюбивых избыток света является лимитирующим фактором, поэтому у них есть приспособления для ограничения света(см таблицу)

2. Сигнальное значение света. Многие процессы в природе характеризуются правильной повторяемостью, т.е. ритмичностью. Свет играет одну из главнейших ролей в осуществлении биологических ритмов разной продолжительности, т.к. он является внешним сигналом к их осуществлению. По длине периода биологические ритмы можно разделить на 3 категории:

1.Суточные (циркадные): длина периода около 24 часов. Характерны для большинства живых организмов. У амеб в течение суток изменяются темпы деления, у человека свыше 100 функций меняющихся в течении суток. Большинство видов активны днем, но есть и те которые ведут ночной образ жизни – возник как приспособлении к более благоприятным температурным условиям, как способ защиты от хищников, и конкурентов.

2. Сезонные (цирканные): продолжительность периода год. Сложились в результате эволюции организмов в условиях умеренного климатического пояса, как приспособление к чередованию времен года: летом в отличии от зимы складываются благоприятные для жизни условия в умеренном поясе и внешним сигналом оповещающим организмы о начале благоприятных условий(неблагоприятных условий) является продолжительность длины светового дня (фотопериод). Живые организмы выбрали фотопериод в качестве надежного внешнего сигнала который в отличии от других сезонных факторов в данное время года в данном географическом месте всегда одинаков.

3.Многолетние: несколько лет, связаны с ритмами солнечной активности, изучены слабо, проявляются как изменения численности и активности животных, цикличность в росте и развитии растений по годам.

РЕАКЦИЯ ФОТОПЕРЕОДИЗМА – реакция на сезонное изменение длины светового дня. Она имеет большое приспособительное значение, т.к дает возможность заблаговременно осуществлять физиологические перестройки для подготовки к переживанию благоприятных и неблагоприятных времен года. Большинство видов умеренных широт имеют эту особенностью.

6. Вода как экологический фактор в наземно-воздушной среде. Особенности водообеспеченности наземных организмов. Источники воды у растений и животных. Экологические группы организмов по отношению к воде: гигрофиты и гигрофилы, мезофиты и мезофилы, ксерофиты и ксерофилы. Способы регуляции водного режима.

Вода имеет первостепенное значение в функционировании любого организма. Это основная среда, в которой протекают все биохимические реакции. Вода необходимая основная часть протоплазмы, питательные вещества циркулируют в организме в виде водных растворов, в таком же виде из организма выносится большая часть продуктов обмена веществ. Вода составляет основную массу организмов растений и животных, относительное содержание от 50-80%. В процессе жизнедеятельности организмы непрерывно теряют воду (транспирация, дыхание,выделение). Для нормального существования организма, потери воды должны непременно пополняться.

Водообеспеченность организмов по земному шару колеблется в очень широких пределах и зависит от следующих условий:

-от годового количества осадков

-большую роль играет соотношение осадков и испарения (пустыня-тундра)

Области,в кот годовая испаряемость превышает годовую сумму осадков – аридные (сухие области) – растения и животные испытывают недостаток влаги

Области, где осадки преобладают над испаряемостью – гумидные (влажные)

Переходные области – семиаридные (полузасушливые)

Ичточники воды у растений и животных:Основным источником у растений является почвенная влага, различают 3 категории почвенной влаги: (гравитационная, капиллярная, связанная).

Источники у животных: через кишечный тракт; использование воды, содержащейся в пище; через кожные покровы; метаболическая воды, образующаяся при окислении жиров.

Экологические группы организмов по отношению к воде:

Гигрофиты и гигрофилы – с избыточным увлажнением;

Ксерофиты и ксерофилы – из засушливых мест обитания;

Мезофиты и мезофиллы – с условиями средней водообеспеченности;

7. Пища как экологический фактор. Значение пищи для живых организмов. Экологические группы организмов по способам питания. Автотрофные и гетеротрофные организмы. Лимитирующая роль качества и количества пищи у растений и животных.

Пища – важнейший экол. фактор, т.к. с пищей организм получает необходимые во всех жизненных процессах энергию и вещество. В зависимости от типов пищи, все организмы делятся:

Автотрофы (продуценты), относятся зеленые растения, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие микроорганизмы, для них источником питательных вв, являются неорганические вв(вода, со2, сероводород, минеральные соли)- из этих простых вв, бедных энергией, автотрофные организмы на свету создают энергетически более ценные сложные органические вв. (реакция фотосинтеза)

Гетеротрофы (консументы и редуценты), используют в качестве источника пищи готовое органическое вещество (животные, грибы, большинство бактерий). Гетеротрофы делятся на: -фитофагов(питаются растениями), -зоофагов (питаются животными), - детритофагов (питаются отмершими остатками).

Для автотрофов качество пищи везде одинаково, лимитирующим фактором является количество пищи (недостаток, избыток).

Для гетеротрофов: как количество так и качество пищи, влияет на плодовитость и скорость развития. К отсутствию пищи адаптаций не существует.

8. Второстепенные экологические факторы наземно-воздушной среды. Отличительные черты второстепенных экологических факторов. Содержание О₂ в атмосферном воздухе и его влияние на живые организмы. Ветер, пожары, снеговой покров как экологические факторы. Малоизученные экологические факторы: ионизация воздуха, давление, электромагнитное излучение, землетрясения.

Второстепенные экологические факторы – это те факторы, которые мало изменяются во времени и пространстве. (газовый состав атмосферы воздуха). Эти факторы имеют локальное значение, не оказывают прямого влияния на метаболизм.Факторы мало изучены – землетрясение, магнитные поля,ионизация атмосферы.

1. Газовый состав атмосферного воздуха – благодаря постоянству состава атмосферного воздуха, организмы наземно-воздушной среды не лимитированы по содержанию углекислого газа и кислорода:

Азот-78%, кислород-21%,аргон-0,9%, углекислый газ – 0,035%

В некоторых специфических условиях (в норах, дуплах, берлогах, зимой в толще снега) – газообмен у животных может быть ограничен в связи со снижением содержания кислорода, т.е. его количества и качества. Недостаток кислорода – гипоксия. Явление гипоксии наблюдается на высотах более 6 км- граница распространения вида.

Приспособления у видов, кот распространены на высотах более 6 км: повышенное содержание эритроцитов и гемоглобина в крови. Примером недостатка кислорода – могут быть заморы.

2. Снежный покров – фактор кот имеет сезонное значение, и напрямую на обмен вв влияния не оказывает. Можно выделить как положительное воздействие снега: формирование особых климатических условий; так и отрицательное: -связано с механическими свойствами снега, они создают препятствия для многих надземных животных; - снежный покров препятствует добыванию корма или пищи, следовательно приспособления для продвижения по снежному покрову – это срастание перьев, волос, шерсти, с образованием снежных лыж.

3. Ветер: положительное влияние ветра –перенос семян, плодов, спор, мелких беспозвоночных

Отрицательное влияние ветра: при скорости ветра более 15м в сек могут разрушаться как древесные так и кустарниковые виды.

4. Пожары – имеют локальное и сезонное значение в летние месяцы. Выделяют:

-низовые

-верховые

По отношению к пожару как к экологическому фактору, выделяется экологическая группа – пирофиты – те виды которые регулярно испытывают на себе действия пожаров более 100 градусов цельсия.

5. Ионизация атмосферы – совокупность заряженных частиц которые постоянно присутствуют в атмосферном воздухе, с положительным или отрицательным зарядом.

6. Электромагнитные поля – живые организмы восприимчивы к изменению величины электромагнитных полей, а не факту существования этих полей.

7. Землетрясения – разная бальность, разное воздействие на организмы. Фактор является слабоизученным, т.к. невозможно заранее предсказать это явление.