Экосистема (греч. oikos – жилище) – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и образующих систему.
Вы можете встретить синоним понятия экосистема – биогеоценоз (греч. bios – жизнь + geo – земля + koinos – общий). Следует разделять биогеоценоз и биоценоз. В понятие биоценоз не входит компонент окружающей среды, биоценоз – совокупность исключительно живых организмов со связями между ними.
Совокупность биогеоценозов образует живую оболочку Земли – биосферу.
Продуценты, консументы и редуценты
Организмы, населяющие биогеоценоз, по своим функциям разделены на:
- Продуцентов
- Консументы
- Редуценты
Растения, преобразующие энергию солнечного света в энергию химических связей. Создают органические вещества, потребляемые животными.
Животные – потребители готового органического вещества. Встречаются консументы I порядка – растительноядные организмы, консументы II, III и т.д. порядка – хищники.
Это сапротрофы (греч. sapros – гнилой + trophos – питание) – грибы и бактерии, а также некоторые растения, которые разлагают останки мертвых организмов. Редуценты обеспечивают круговорот веществ, они преобразуют накопленные организмами органические вещества в неорганические.
Продуценты, консументы и редуценты образуют в экосистеме так называемые трофические уровни (греч. trophos – питание), которые тесно взаимосвязаны между собой переносом питательных веществ и энергии – процессом, который необходим для круговорота веществ, рождения новой жизни.
Пищевые цепи
Взаимоотношения между организмами разных трофических уровней отражаются в пищевых цепочках (трофических цепях), в которых каждое предыдущее звено служит пищей для последующего звена. Поток энергии и веществ идет однонаправленно: продуценты → консументы → редуценты.
Трофические цепи бывают двух типов:
- Пастбищные – начинаются с продуцентов (растений), производителей органического вещества
- Детритные (лат. detritus – истертый) – начинаются с органических веществ отмерших растений и животных
В естественных сообществах пищевые цепи часто переплетаются, в результате чего образуются пищевые сети. Это связано с тем, что один и тот же организм может быть пищей для нескольких разных видов. Например, филины охотятся на полевок, лесных мышей, летучих мышей, некоторых птиц, змей, зайцев.
Экосистемы обладают важным свойством – устойчивостью, которая противостоит колебаниям внешних факторов среды и помогает сохранить экосистему и ее отдельные компоненты. Устойчивость экосистемы обусловлена:
- Большим разнообразием обитающих видов
- Длинными пищевыми цепочками
- Разветвленностью пищевых цепочек, образующих пищевую сеть
- Наличием форм взаимоотношений между организмами (симбиоз)
Экологическая пирамида
Экологическая пирамида представляет собой графическую модель отражения числа особей (пирамида чисел), количества их биомассы (пирамида биомасс), заключенной в них энергии (пирамида энергии) для каждого уровня и указывающая на снижение всех показателей с повышением трофического уровня.
Существует правило 10%, которое вы можете встретить в задачах по экологии. Оно гласит, что на каждый последующий уровень экологической пирамиды переходит лишь 10% энергии (массы), остальное рассеивается в виде тепла.
Представим следующую пищевую цепочку: фитопланктон → зоопланктон → растительноядные рыбы → рыбы-хищники → дельфин. В соответствии с изученным правилом, чтобы дельфин набрал 1кг массы нужно 10 кг рыб хищников, 100 кг растительноядных рыб, 1000 кг зоопланктона и 10000 кг фитопланктона.
Агроценоз
Агроценоз – искусственно созданный биоценоз. Между агроценозом и биоценозом существует ряд важных отличий. Агроценоз характеризуется:
- Преобладает искусственный отбор – выживают особи с полезными для человека признаками и свойствами
- Источник энергии – солнце (открытая система)
- Круговорот веществ – незамкнутый, так как часть веществ и энергии изымается человеком (сбор урожая)
- Видовой состав – скудный, преобладают 1-2 вида (поле пшеницы, ржи)
- Устойчивость экосистемы – снижена, так как пищевые цепочки короткие, пищевые сети неразветвленные
- Биомассы на единицу площади – мало
Биоценоз характеризуется:
- Преобладает естественный отбор – выживают наиболее приспособленные особи
- Источник энергии – солнце (открытая система)
- Круговорот веществ – замкнутый
- Видовой состав – разнообразный, тысячи видов
- Устойчивость экосистемы – высокая, так как пищевые цепочки длинные, разветвленные
- Биомассы на единицу площади – много
Факторы экосистемы
Любой организм в экосистеме находится под влиянием определенных факторов, называемых экологическими факторами. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.
- Абиотические (греч. α — отрицание + βίος — жизнь)
- Биотические (греч. βίος — жизнь)
- Антропогенные (греч. anthropos — человек)
К абиотическим факторам относятся факторы неживой природы. Существуют физические – климат, рельеф, химические – состав воды, почвы, воздуха. В понятие климата можно включить такие важные факторы как освещенность, температура, влажность.
К биотическим факторам относятся все живые существа и продукты их жизнедеятельности. Например: хищники регулируют численность своих жертв, животные-опылители влияют на цветковые растения и т.д. Это и самые разнообразные формы взаимоотношений между животными (нейтрализм, комменсализм, симбиоз).
К антропогенным факторам относится влияние человека на окружающую среду в процессе хозяйственной и другой деятельности. Человек “разумный” (Homo “sapiens”) вырубает леса, осушает болота, распахивает земли – уничтожает дом для сотен видов животных. В результате деятельности человека произошли глобальные изменения: над Антарктикой появились “озоновые дыры”, ускорилось глобальное потепление, которое ведет к таянию ледников и повышению уровня мирового океана.
За миллионы лет эволюции растения и животные вырабатывают приспособления к тем условиям среды, где они обитают. Так у алоэ, растения живущего в засушливом климате, имеются толстые мясистые листья с большим запасом воды на случай засухи. У каждого организма вырабатывается своя адаптация.
Формируются привычные биологические ритмы (биоритмы): организм адаптируется к изменениям освещенности, температуры, магнитного поля и т.д. Эти факторы играют важную роль в таких событиях как сезонные перелеты птиц, осенний листопад.
Если адаптация не вырабатывается, или это происходит слишком медленно по сравнению с другими видами, то данный вид подвергается биологическому регрессу: количество особей и ареал их обитания уменьшаются и со временем вид исчезает. Иногда деятельность человека играет решающий фактор в исчезновении видов.
Закон оптимума
Если фактор оказывает на жизнедеятельность организма благоприятное влияние (отлично подходит для животного/растения), то про фактор говорят – оптимальный, значение фактора в зоне оптимума. Зона оптимума – диапазон действия фактора, наиболее благоприятный для жизнедеятельности.
За пределами зоны оптимума начинается зона угнетения (пессимума). Если значение фактора лежит в зоне пессимума, то организм испытывает угнетение, однако процесс жизнедеятельности может продолжаться. Таким образом, зона пессимума лежит в пределах выносливости организма. За пределами выносливости организма происходит его гибель.
Фактор, по своему значению находящийся на пределе выносливости организма, или выходящий за такое значение, называется ограничивающим (лимитирующим). Существует закон ограничивающего фактора (закон минимума Либиха), гласящий, что для организма наиболее значим фактор, который более всего отклоняется от своего оптимального значения.
Метафорически представить этот закон можно с помощью “бочки Либиха”. Смысл данной метафоры в том, что вода при заполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску, таким образом, длина остальных досок уже не играет роли. Так и наличие выраженного ограничивающего фактора сводит на нет благоприятность остальных факторов.
Среда обитания организмов. Факторы среды
Одно из определений жизни звучит следующим образом: «Жизнь – это активное, идущее с затратой энергии, полученной извне, поддержание и самовоспроизведение специфических структур, состоящих из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
Знакомо? К концу 11-го класса вы же не встретили здесь непонятных слов? Если встретили – обязательно повторите в свободное время, а здесь и сейчас начинаем с простого – «извне». Самодостаточных, изолированных от внешних влияний живых организмов не существует. По крайней мере, на нашей планете.
Всем им в обязательном порядке необходимо какое-то «извне», обеспечивающее всем необходимым для существования.
Где же находится это «извне»? У вас есть варианты?.. Ну, кроме ваших родителей. Неживая и живая природа, окружающая растения, животных, бактерии, вирусы и всех остальных, носит название среды обитания, жизненной среды либо внешней.
Так вот, среда обитания (остановимся на определении из учебника) – это всё, что окружает организмы и прямо или косвенно влияет на их состояние, развитие, выживание и размножение. Из среды обитания организмы получают всё необходимое для жизни и в неё же выделяют продукты своего обмена веществ.
Первой средой жизни на Земле стала вода. Это настоящая колыбелька, которая защищала первые живые организмы от губительной солнечной радиации, а также обеспечивала беспрепятственное поступление питательных веществ через мембрану и выведение таким же путём продуктов обмена. Когда условия существования на планете изменились, а в воде стало тесновато, живые существа начали заселять наземно-воздушную среду. Правда, для этого им пришлось изрядно потрудиться, потому что там они встретились с гравитацией (потребовалась механическая ткань) и, что логично, с недостатком всё той же воды (здесь спасла ткань уже покровная). Пришлось решать и многие другие проблемы. Таким образом, переход к наземно-воздушному образу жизни был колоссальным прорывом в эволюции живого на Земле. В ходе своей жизнедеятельности поселенцы суши видоизменяли её и в скором времени создали ещё одну среду обитания – почвенную. А параллельно с увеличением разнообразия организмов в водной, наземно-воздушной и почвенной средах формировались симбиотические виды организмов. Что в конечном итоге привело к возникновению паразитов.
Для которых средой обитания стал организм хозяина и четвёртая среда жизни – живой организм.
Итак, давайте подведём промежуточный итог: среда обитания – это часть природы, которая окружает организм и с которой он непосредственно взаимодействует в течение своего жизненного цикла. Каждая из сред жизни сложна и изменчива во времени и пространстве.
И, конечно, имеет свои специфические условия жизни, которые оказывают влияние на существование и географическое распространение жизни на Земле. Попробуем классифицировать эти условия или как их принято называть, факторы среды.
Дело в том, что все факторы среды по отношению к организму неравнозначны. Мы не задумываемся о концентрации углекислого газа в классе или за окном. В то же время, если снижается концентрация кислорода, нам сразу становится не по себе. Не говоря уже о ситуации, если кислород исчезнет совсем.
Одни факторы среды влияют на жизнедеятельность организма, а другие для него безразличны.
Экологические факторы – это свойства и компоненты среды обитания, которые вызывают у организма приспособительные реакции – адаптации. Адаптация(от латинского adaptatio– «прилаживание», «приспособление») – признак или комплекс признаков, обеспечивающих выживание и размножение организмов в конкретной среде обитания.
Условно все экологические факторы подразделяются на три основные группы: абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы (др.-греч. α — «отрицание», βίος — «жизнь») – факторы неживой природы. Важнейшими из них являются климатические (свет, температура, влажность) и местные (рельеф, солёность воды, свойства почвы, течения, ветер, радиация и другие).
К биотическим факторам относятся всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга и на среду (хищничество, паразитизм, опыление насекомыми растений и так далее).
В отдельную (вы должны догадаться, почему), третью группу экологических факторов вынесено влияние на живую природу человека – это так называемые антропогенные факторы. Здесь уж примеры вы должны привести самостоятельно. Отметим важный момент, который касается всех приведённых экологических факторов.
Кроме того, что они могут воздействовать на жизнь организмов по-разному и имеют различную степень важности для разных видов, их влияние может быть прямым и косвенным. «Как это?» – спросите вы. Скашивание травы и разведение рыбы человеком – это прямое влияние.
А строительство дорог и добыча полезных ископаемых – косвенное. То есть то влияние, которое оказывает человек на среду обитания только самим фактом своего существования. Идём дальше.
Экологическая пластичность, или толерантность На Земле практически не существует укромных уголков, где условия среды постоянны и неизменны. Чего живым организмам, конечно, хотелось бы больше всего.
Ведь когда действие экологических факторов не меняется, тем же птицам не нужно совершать утомительные дальние перелёты, а берёзам за окном – сбрасывать листья.
Но количество солнечной радиации в умеренных широтах непостоянно, поэтому и птицам, и берёзам приходится терпеть причиняемые им неудобства.
Именно из-за изменчивости факторов среды живые организмы в ходе эволюции выработали так называемую экологическую пластичность, или толерантность (от латинского tolerantia– «терпение») – способность выдерживать изменение условий жизни. И это важнейшее свойство живого. Если ты не эндопаразит или гипертермофил, конечно. Для каждого вида живых организмов существует оптимум, зона нормальной жизнедеятельности, зона угнетения и пределы выносливости в отношении каждого фактора среды.
Например, кораллам хорошо живётся в зоне Мирового океана с высокой солёностью и высокой (не ниже 25 °С) постоянной температурой. А вот излюбленный корм аквариумных рыбок – рачки дафнии – могут прекрасно размножаться как в пресных, так и солоноватых водоёмах при разных температурах.
Так вот, недотроги-кораллы, которым необходимы строго определённые, относительно постоянные условия среды, в биологии принято называть стенобионтами (от греческого stenos– «узкий» и biontos – «живущий»).
Ну, а неприхотливых дафний, способных существовать в широком диапазоне изменчивости условий среды, – эврибионтами (от греческого eurys – «широкий»). Подводим итог: эврибионтные организмы являются экологически пластичными, выносливыми и широко распространены.
Стенобионтные – напротив, маловыносливы, экологически непластичны и имеют ограниченные области распространения.
Лимитирующий фактор Разные виды экологических факторов воздействуют на живые организмы одновременно и совместно. При этом действие одного фактора зависит от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы.
Такая закономерность получила название взаимодействия факторов. Вы с ней постоянно сталкиваетесь в своей жизни. Гораздо легче обморозить щёки и нос на ветру, чем в безветренную морозную погоду.
А увядание растений можно приостановить как увеличением количества влаги в почве, так и снижением температуры воздуха, что уменьшает испарение. Но ни один из необходимых организму экологических факторов не может быть полностью заменён другим.
Как бы мы ни старались, растения без света вырастить мы не сможем. Так вот, фактор, величина которого оказывается близкой или выходит за пределы выносливости, называется лимитирующим или ограничивающим фактором. Например, рост травянистых растений под пологом леса ограничен недостатком света.
Несмотря на оптимальную температуру и высокое содержание углекислого газа. Продвижение вида на север ограничивается недостатком тепла, а в районы пустынь – в первую очередь, недостатком влаги и слишком высокими температурами.
В экологии сформулирован так называемый закон минимума: успешную жизнедеятельность организма ограничивает экологический фактор, воздействие которого близко к минимуму, необходимому организму. Соответственно, этот фактор и становится самым значимым.
Закон минимума учитывается в практике сельского хозяйства. Немецкий химик Юстус фон Либих установил, что продуктивность культурных растений, в первую очередь, зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который представлен в почве наиболее слабо. Например, если фосфора в почве лишь 20 % от необходимой нормы, а кальция — 50 % от нормы, то ограничивающим фактором будет недостаток фосфора; необходимо в первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащие удобрения. По имени учёного названо образное представление закона минимума — так называемая «бочка Либиха». Попробуйте самостоятельно объяснить суть этой модели.
Как же справляется живая природа с постоянно изменяющимися условиями среды? Совершенно верно. Она приспосабливается. То есть адаптируется. И разные организмы делают это по-разному. Насекомые и листопадные деревья впадают в состояние физиологического покоя – диапаузу.
Уже упомянутые нами перелётные птицы используют миграции. А малоподвижные споры, семена, одноклеточные организмы, черви и некоторые другие организмы впадают в анабиоз.
Итак, сегодня мы узнали, что на планете Земля существует четыре среды жизни: водная, наземно-воздушная, почвенная и живой организм.
Все воздействия среды обитания называются экологическим факторами и делятся на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.
Живые организмы обладают разной экологической пластичностью, эврибионты – широкой, а стенобионты – узкой. И приспособлены к изменениям окружающей среды благодаря адаптациям, среди которых выделяют диапаузу, миграции и анабиоз.
Организм и среда
Живое органическое вещество на Земле, будучи чрезвычайно активным очагом специфической энергии, отличается вместе с тем исключительным разнообразием форм своего проявления.
Разнообразие этих форм есть результат длительного развития органического мира и приспособления его к изменчивой во времени и пространстве географической среде.
Организм неразрывно связан с окружающей средой и немыслим вне этой среды хотя бы уже потому, что одно из основных проявлений жизни (впрочем, не исчерпывающее собой качественной специфики жизненных процессов) есть обмен веществ.
Другие признаки живого: чувствительность, подвижность, рост, развитие, размножение, наследственность, изменчивость. Существование всякого организма слагается из принятия и накопления вещества (ассимиляция) и выделения и траты вещества (диссимиляция).
Среда — единственный источник веществ, из которых строит своё тело организм. Вне обмена веществ не может образоваться никакое вещество в организме.
Взаимодействие живых тел со средой есть непременное условие их сохранения и бытия, в противоположность неживым телам, для которых взаимодействие со средой является условием их уничтожения.
Ассимиляция — это способность живого воспринимать, видоизменять и уподоблять себе вещества внешней среды. Животные ассимилируют главным образом вещества органической природы, растения — неорганической. Но в обоих случаях в процессе ассимиляции неживое превращается в живое, внешнее во внутреннее. Организм всё время строит себя из веществ внешней среды на свой лад.
Диссимиляция (распад) представляет другую сторону единого противоречивого процесса обмена веществ. Она служит источником энергии, за счёт которой идут биохимические реакции синтеза (ассимиляции) и все другие проявления жизнедеятельности (движение и т. д.
), причём преобладают два типа источников энергии: реакции биологического окисления, лежащие в основе дыхания, и безокислительный распад преимущественно углеводов, т. е. реакции типа брожения. Важная особенность живой материи в том, что все биохимические реакции в обмене веществ протекают не в случайной, а в строго определённой последовательности, т. е.
упорядочены во времени, связаны в целостную систему. Это и обеспечивает, при наличии прекращающегося распада, постоянство состава и строения организма.
Обмен веществ является основой всех жизненных процессов. Связь организма со средой предполагает соответствие организма условиям его существования, адаптацию (приспособление) организма к среде.
Это и наблюдается в природе повсеместно, причём приспособление охватывает все свойства и особенности организмов — их форму, окраску, физиологические функции, поведение и т. д.
— и помогает организму наилучшим образом использовать среду, избавиться от опасности, облегчить нападение на жертву, обеспечить не только жизнь, но и размножение.
В результате чего и каким образом выработались приспособления организмов к среде? Что является побудительной причиной образования и совершенствования форм животных и растений, т. е. причиной развития органического мира, перехода простых форм в более сложные?
Повседневное наблюдение и опыт свидетельствуют, что при размножении организмы воспроизводят из поколения в поколение только себе подобных. Эта биологическая инерция, свойство потомства сохранять признаки своих родителей называется наследственностью. Другое свойство организма — его биологическая пластичность, способность изменяться по сравнению с родителями — носит название изменчивости.
Изменчивость есть результат влияния внешней обстановки, а также результат корреляции между органами и функциям организма, в силу чего изменение одних влечёт изменение других. Наследственность же определяется как свойство живого тела требовать определённых условий для своей жизни, своего развития и определённо реагировать на те или иные условия.
Если организм находит в окружающей его среде и ассимилирует то, что вполне соответствует его требованиям — он сохраняет сходство с родителями. Незначительные изменения среды, заключённые в некоторых сравнительно узких пределах, не меняют наследственности организма, так как не нарушают общего характера обмена веществ.
Однако всякая серьёзная перемена условий жизни, вызываемая жизнедеятельностью самого организма или изменением окружающей обстановки, неизбежно влечёт изменение типа обмена веществ. При этом, поскольку вне обмена веществ нет жизни, организм должен либо погибнуть, либо приспособиться к новым условиям, т. е.
измениться в соответствии с этими условиями, изменить свою наследственность.
Прибегая к переделке организмов, человек давно пользуется как изменчивостью, так и наследственностью.
Накопление и создание человеком определённых, им самим избранных признаков в каком-нибудь животном или растении путём использования изменчивости и наследственности называется искусственным отбором, подбором, или селекцией.
В селекции весьма крупную роль играет изменение человеком жизненных условий организма, изменение типа обмена веществ.
В природной обстановке, разумеется, действуют те же законы изменчивости и наследственности, однако здесь отбором управляет уже не человек, а борьба за существование, понимаемая в широком смысле как выживание наиболее приспособленных. В отличие от искусственного, отбор в природе, называемый естественным отбором, действует на пользу самого организма (а не человека).
Неизбежность естественного отбора вытекает из того, что в природе рождается особей данного вида больше, чем это позволяют наличные для их жизни условия.
Правда, огромное число зародышей и особей погибает независимо от степени их приспособленности к среде (поедание икры хищными рыбами, гибель попавших в воду семян наземных растений, наводнения, пожары и другие стихийные бедствия).
Вместе с тем огромное число особей, уцелевших от стихийной гибели, остаётся подверженным многим неблагоприятным условиям неодушевлённой природы, эпидемиям, нападению врагов, вынуждено бороться за пищу, свет, пространство, воду (в частности с представителями своего же вида, предъявляющего к окружающей обстановке аналогичные требования) и т. п. В этих условиях суждено сохраниться лишь тем: организмам, у которых есть признаки, доставляющие организму в создавшейся обстановке какое-нибудь преимущество для его существования и дальнейшего размножения. В результате изменчивости, наследственности и естественного отбора в пределах вида возникают разновидности. С течением времени признаки крайних разновидностей настолько расходятся, что из этих разновидностей образуются уже новые виды, а промежуточные разновидности, как менее приспособленные, вымирают в результате естественного отбора.
Таким образом, развитие органического мира имеет приспособительный характер. Многообразие форм живых существ — это многообразие форм приспособления, но приспособления относительного, временного, имеющего значение лишь в определённой жизненной обстановке. Меняется обстановка — прежняя приспособленность теряет своё значение.
Организм в самом себе не имеет никакого особого стремления к целесообразному изменению. Целесообразность в устройстве, функциях и поведении организма — это исторический результат длительного естественного отбора, а вовсе не изначальное свойство живой материи.
Вследствие непрерывного действия естественного отбора организм становится более совершенным по отношению к среде. Организмы всё время развиваются, и большинство их при этом усложняется. Вместе с тем в природе, наряду с прогрессом, обнаруживается и регресс и консерватизм.
Примером регресса могут служить высшие организмы, перешедшие к паразитическому образу жизни, а примером консерватизма — простейшие организмы, например корненожки, которые сравнительно мало изменились на протяжении геологических периодов, возможно потому, что живут они в очень медленно меняющейся среде и, следовательно, не получают стимулов к изменчивости.
Приспособление организма к среде ярче всего выражено в пределах той области, в которой он обычно обитает. Перенесённый в другую обстановку, организм и к ней может приспособиться, но степень и характер этого приспособления в значительной мере зависят от биологической пластичности организма.
Одни организмы в новой обстановке погибают, другие живут и размножаются, третьи живут, но не размножаются, что практически означает, что вид, к которому принадлежит данная особь, осуждён на гибель в новой обстановке, поскольку индивидуум не оставляет потомства.
Одни организмы живут, сохраняя старые привычки, другие эти привычки меняют. Например, австралийский чёрный лебедь на родине гнездится в ноябре-декабре, а в зоопарках южной Украины в марте-апреле, т. е.
в обоих случаях весной, но в разные месяцы года, в соответствии с течением климатических процессов в северном и южном полушариях.
Учение об естественном отборе может быть применено только в биологии. Оно не есть универсальная методология науки, его нельзя перенести на человеческое общество и законы развития этого общества.
Экология: организмы и среды их обитания, деятельность организмов, экологические факторы и ресурсы
В последнее время слово “экология” стало очень популярным; наиболее часто его употребляют, говоря о неблагополучном состоянии окружающей нас природы.
Иногда этот термин используют в сочетании с такими словами, как “общество”, “семья”, “культура”, “здоровье”.
Неужели экология столь обширная наука, что способна охватить большинство проблем, стоящих перед человечеством? Можно ли дать конкретный ответ на вопрос — что же изучает эта наука?
С первых шагов своего развития человек неразрывно связан с природой.
Он всегда находился в тесной зависимости от растительного и животного мира, от их ресурсов и был вынужден повседневно считаться с особенностями распределения и образа жизни зверей, рыб, птиц и др.
Конечно, представления древнего человека об окружающей среде не носили научного характера и были не всегда осознанными, но с течением времени именно они послужили источником накопления экологических знаний.
Уже в самых древних рукописях не только упоминаются различные животные и растения, но приведены и некоторые сведения об их образе жизни, о значении окружающей среды обитания для организмов, в том числе и для человека.
Термин экология был предложен в 1866 г. немецким биологом Эрнстом Геккелем. Слово “экология” (от греч.
ойкос — дом, жилище, родина и логос — наука) означает дословно “наука о доме, о месте своей жизни”.
В более общем смысле экология — это наука, изучающая взаимоотношения организмов с окружающей их средой обитания (в том числе многообразие взаимосвязей их с другими организмами и сообществами).
В качестве самостоятельной науки экология оформилась лишь в XX в. А по-настоящему большое значение экологии как науки стали понимать недавно.
Этому есть объяснение, которое связано с тем, что рост численности населения Земли и усиливающееся воздействие на природную среду поставили человека перед необходимостью решать ряд новых жизненно важных задач.
Человеку надо знать, как устроена и как функционирует окружающая его природа. Экология как раз и изучает эти проблемы.
Идеи экологии как фундаментальной научной дисциплины имеют очень важное значение. И если мы признаём актуальность этой науки, нам надо научиться правильно пользоваться ее законами, понятиями, терминами. Ведь они помогают людям определять свое место в окружающей их среде, правильно и рационально использовать природные богатства.
Во второй половине XX в. происходит своего рода “экологизация” современных наук. Это связано с осознанием огромной роли экологических знаний, с пониманием того, что деятельность человека зачастую не только наносит вред окружающей среде, но, воздействуя на нее негативно, изменяя условия жизни людей, угрожает самому существованию человечества.
Если в период своего возникновения экология в основном изучала взаимоотношения организмов со средой и была составной частью биологии, то современная экология охватывает чрезвычайно широкий круг вопросов и тесно переплетается с целым рядом смежных наук. Среди них прежде всего биология (ботаника и зоология), география, геология, физика, химия, генетика, математика, медицина, агрономия, архитектура.
В настоящее время в экологии выделяют такие научные отрасли, как популяционная экология, географическая экология, химическая экология, промышленная экология, экология растений, животных, человека. В основе всех направлений современной экологии лежат фундаментальные биологические идеи об отношениях живых организмов с окружающей их средой.
Природа гораздо сложнее, чем мы можем себе это представить. Первый закон экологии гласит: “Что бы мы ни делали в природе, все вызывает в ней те или иные последствия, часто непредсказуемые” .
Следовательно, результаты нашей деятельности можно предвидеть, только всесторонне проанализировав ее влияние на природу.
Для экологического анализа необходимо привлечь знания различных наук, чтобы понять, каким образом происходит воздействие человека на окружающую среду, и найти те пределы изменения условий, которые позволяют не допускать экологического кризиса. Таким образом, экология становится теоретической основой для рационального использования природных ресурсов.
Современная экология — универсальная, бурно развивающаяся, комплексная наука, имеющая большое практическое значение для всех жителей нашей планеты. Экология — наука будущего, и возможно, само существование человека будет зависеть от прогресса этой науки.
Организмы и среды их обитания
Среды жизни
Поверхность Земли (ее суша, воды) и окружающее воздушное пространство, населенные живыми организмами, образуют биосферу, то есть область жизни.
Биосфера — закономерный продукт эволюции Земли, в преобразованиях которой живое вещество играет огромную роль. К такому выводу пришел Владимир Иванович Вернадский.
Исследуя химический состав и химическую эволюцию земной коры, он доказал, что они не могут быть объяснены лишь геологическими причинами, без учета роли живого вещества в геохимической миграции атомов.
Биосфера характеризуется многообразием природных условий, зависящих от географической широты, рельефа местности, от сезонных изменений климата. Но основной источник разнообразия биосферы — это деятельность самих живых организмов.
Между организмами и окружающей их неживой природой происходит непрерывный обмен веществ, и поэтому в каждый данный момент различные участки суши и моря отличаются друг от друга по физическим и химическим показателям.
В пределах биосферы можно выделить четыре основные среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и среду, образуемую самими живыми организмами.
Вода служит средой обитания многих организмов. Из водной среды они получают необходимые для жизни вещества: пищу, воду, газы. Водные организмы приспособлены к главным особенностям водной среды в своих способах движения, дыхания, питания и размножения.
Наземно-воздушная среда, освоенная в ходе эволюции позже водной, более сложна и разнообразна, требует более высокого уровня организации живого.
Наиболее важным фактором жизни пребывающих здесь организмов являются свойства и состав окружающих их воздушных масс.
Плотность воздуха гораздо меньше плотности воды, поэтому у наземных организмов сильно развиты опорные ткани — внутренний и наружный скелет. Формы движения наземных животных крайне разнообразны, например бег, прыжки, ползание, полет.
По воздуху передвигаются птицы и летающие насекомые. Потоки воздуха разносят семена растений, споры, микроорганизмы.
Почва — верхний слой суши, образованный минеральными частицами, переработанными жизнедеятельностью живых существ. Это важный и очень сложный компонент биосферы, тесно связанный с другими ее частями. Жизнь почвы необычайно богата.
Некоторые организмы проводят в почве всю жизнь, другие — часть жизни. Между частицами почвы имеются многочисленные полости, которые могут быть заполнены водой или воздухом. Поэтому почву населяют как водные, так и дышащие воздухом организмы.
Огромную роль играет почва в жизни растений.
Тела многих организмов служат жизненной средой для других организмов. Очевидно, что жизнь внутри другого организма характеризуется большим постоянством по сравнению с жизнью в открытой среде.
Поэтому организмы, находящие себе место в теле растений или животных, часто полностью утрачивают органы и системы, необходимые свободноживущим видам.
Взамен органов чувств или органов движения у них возникают приспособления (часто весьма изощренные) для удержания себя в теле хозяина и эффективного размножения.
Средообразующая деятельность организмов
Живые организмы не только испытывают влияние со стороны окружающей их среды, но сами активно влияют на среду своего обитания. В результате жизнедеятельности физические и химические свойства среды (газовый состав воздуха и воды, структура и свойства почвы, даже климат местности) могут заметно меняться.
Наиболее простым влиянием жизни на среду является механическое воздействие. Строя норы, прокладывая ходы, животные сильно изменяют свойства грунта. Почва изменяется и под действием корней высших растений, она уплотняется, становясь менее подверженной разрушению потоками воды или ветром.
Живущие в толще воды мелкие рачки, личинки насекомых, моллюски, многие рыбы имеют своеобразный тип питания — фильтрацию.
Постоянно пропуская воду через ротовой аппарат, эти животные непрерывно отцеживают из нее пищевые частицы, содержащиеся в твердых взвесях. Эта деятельность оказывает огромное воздействие на качество вод.
Ее можно сравнить с гигантским фильтром, ведущим постоянную очистку природных вод.
Однако влияние механического воздействия гораздо слабее воздействия организмов на физические и химические свойства среды. Наибольшая роль здесь принадлежит зеленым растениям, благодаря которым формируется химический состав атмосферы. Фотосинтез является главным поставщиком кислорода в атмосферу, обеспечивая тем самым жизнь многочисленным организмам, включая и человека.
Растения перемещают огромные массы воды и растворенных в ней веществ снизу вверх из почвенного раствора — в корни, стебли, листья. Живые организмы оказываются важнейшим звеном в глобальном переносе химических элементов — постоянно происходящем в биосфере круговороте веществ.
Организмы оказывают решающее влияние на состав и плодородие почв. Благодаря их деятельности, в частности переработке организмами мертвых корней, опавших листьев, иных омертвевших тканей, в почве образуется особое вещество — гумус.
В его образовании участвует огромное число организмов: бактерий, грибов, простейших клещей, многоножек, дождевых червей, насекомых и их личинок, пауков, моллюсков, кротов и других землероев.
Питаясь, они не только преобразуют мертвое органическое вещество в гумус, но и перемешивают его, соединяют его с минеральными частицами, формируя тем самым почвенную структуру.
Экологические факторы. условия среды
Экологическими факторами называют любые внешние факторы, оказывающие прямое или опосредованное влияние на численность (обилие) и географическое распространение животных, растений и других обитателей нашей планеты.
Экологические факторы очень многообразны как по своей природе, так и по воздействию на живые организмы. Условно все факторы среды подразделяют на три большие группы — абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы — это факторы неживой природы, прежде всего климатические: солнечный свет, температура, влажность воздуха, и местные: рельеф, свойства почвы, соленость, течения, ветер, радиация и т. д.
Эти факторы могут влиять на организм прямо, то есть непосредственно, например свет и тепло; либо косвенно, например рельеф, что обусловливает действие прямых факторов — освещенности, увлажнения, ветра и прочих.
Биотические факторы — это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга (например, опыление растений насекомыми, поедание одних организмов другими, конкуренция между ними за те или иные виды ресурсов — пищу, пространство, свет и т. д., паразитизм и многое другое). Биотические взаимоотношения имеют чрезвычайно сложный и своеобразный характер и также могут быть прямыми и косвенными. Различные формы этих факторов рассматриваются в главе 3.
Антропогенные факторы — это те формы деятельности человека, которые, воздействуя на окружающую среду, изменяют условия обитания живых организмов или непосредственно влияют на отдельные виды растений и животных. Одним из наиболее важных антропогенных факторов является загрязнение.
Условиями среды, или экологическими условиями, называют изменяющиеся во времени и пространстве абиотические факторы среды, на которые организмы реагируют по-разному в зависимости от их силы. Условия среды налагают определенные ограничения на организмы. Наиболее важные факторы, определяющие условия всех сред, — температура, влажность и свет.
Если нарисовать на графике кривую, характеризующую скорость того или иного процесса (дыхания, движения, питания и др.
) в зависимости от одного из факторов внешней среды (конечно, при условии, что этот фактор оказывает влияние на основные жизненные процессы), то эта кривая почти всегда будет иметь форму колокола.
Такая кривая и аналогичные ей называются кривыми толерантности (от греч. толеранция — терпение). Положение вершин кривых указывает на оптимальные условия для данного процесса.
Для некоторых особей и видов характерны кривые с очень острыми пиками. Это означает, что диапазон условий, при которых скорость процесса достигает максимума, очень узок.
Плавные кривые соответствуют широкому диапазону толерантности, или устойчивости.
Толерантность может измениться (соответственно изменится и положение кривой), если организм попадет в иные внешние условия. Попадая в такие условия, он через некоторое время как бы привыкает, адаптируется, к ним (от лат. адаптации — приспособлять). Следствием этого является изменение положений физиологического оптимума, что изображается на графике как сдвиг купола кривой толерантности.
Виды с широким географическим распространением популяции, обитающие в климатически разных зонах, часто оказываются приспособленными наилучшим образом именно к тем условиям, которые характерны для данной местности. Это явление называют акклиматизацией.
Интенсивность тех или иных биологических процессов часто оказывается чувствительной к двум или большему числу факторов окружающей среды. В этом случае решающее значение будет принадлежать такому фактору, который имеется в минимальном с точки зрения потребностей организма количестве. Это простое правило получило название закона минимума.
Разные факторы среды могут взаимодействовать, то есть нехватка одного вещества может приводить к дефициту и других веществ.
Поэтому в целом закон минимума можно сформулировать следующим образом: успешное выживание организмов зависит от комплекса условий; ограничивающим, или лимитирующим, фактором является любое состояние среды, приближающееся или выходящее за границу устойчивости для организмов данного вида.
Экологические ресурсы
Ресурсами называют вещества и энергию, вовлекаемые организмами в процессы их жизнедеятельности. За этим понятием стоят количества: ресурс может расходоваться и исчерпываться (в отличие от условий).
Ресурс живых существ — это в основном вещества, идущие на построение их тел, и энергия, необходимая для их жизнедеятельности.
Иногда к ресурсам относят и пространство, если обладание этим пространством — необходимое условие жизни организмов.
Тело зеленого растения состоит из органических веществ, которые растение само создает из неорганических веществ. Эти вещества представляют собой пищевой ресурс зеленого растения. Для фотосинтеза и построения своего тела растению требуется энергия, которая черпается только от солнечного излучения.
Солнечное излучение — это ресурс энергетический. Сами зеленые растения являются пищевыми ресурсами для травоядных животных, которые, в свою очередь, являются пищевыми ресурсами для хищников и паразитов, а после смерти — для микроорганизмов, использующих запасенную в трупах энергию и вещество.
Функционируя как ресурс, поток солнечного излучения, достигающий растений, может быть прямым, либо отраженным от других предметов, либо сквозь них прошедшим.
Энергия излучения, связанная при фотосинтезе в виде химической энергии соединений углерода (глюкозы), проделывает свой земной путь лишь однажды. Этим она отличается от атомов углерода или от молекул воды, которые неоднократно проходят через бесчисленные поколения живых существ.
Далеко не вся энергия солнечного излучения может улавливаться и использоваться растениями. Лишь около 44% всей падающей на земную поверхность лучистой энергии Солнца может служить источником энергии для зеленого растения. Если лучистая энергия при попадании на лист в тот же миг не улавливается, она безвозвратно утрачивается.
Известны и другие виды ресурсов в природе. Помимо лучистой энергии в процесс фотосинтеза вовлекаются углекислый газ (диоксид углерода) и вода, вступающие между собой в сложные взаимодействия.
Практически весь углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, поступает из атмосферы, где концентрация углекислого газа остается практически постоянной (0,03%). Большая часть используемой наземными растениями воды находится в почве, где происходит ее всасывание корнями растений.
Важным пищевым ресурсом для растений являются элементы минеральных веществ, которые в растворах извлекаются из почвы (если растение наземное) или из воды (если оно водное).
К питательным минеральным веществам относятся: азот, фосфор, сера, кальций, магний, железо и др.
Пищевым ресурсом организмов (за исключением зеленых растений и некоторых видов бактерий, способных использовать неорганические соединения, превращая их в молекулы белков, жиров и углеводов) обычно являются сами же организмы.
Загрузка...
