I. Предмет и задачи экологии

Вид материала

Документы

Содержание Тема 2. Предмет, задачи и структура современной экологии Основным содержанием Задачи экологии Структура современной экологии Тема 2. Влияние основных абиотических факторов на живые Общие закономерности воздействия температуры Растения по потребности в свете делятся на Роль света для гетеротрофов Реакция растений на продолжительность дня Влияние влажности на наземные организмы

Подобный материал:

• Вопросы к зачету по дисциплине «Экология», 38.39kb.
• Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 03. 02., 89.09kb.
• I. Предмет экологии, методы и задачи экологии План, 1221.92kb.
• Шилов И. А. Экология. М.: Высшая школа, 1998. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е.,, 25.15kb.
• «Предмет и задачи экологии», 44.56kb.
• 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
• Задания к теоретической части программы (разработала: Оскирко С. А.) Предмет и задачи, 130.37kb.
• Экология человека как научная, 87.99kb.
• Методика подготовки и чтения лекции. Педагогические задачи обучающего (офицера) и деятельность, 37.15kb.
• Экология как научная, 94.09kb.

Раздел I. Предмет и задачи экологии.

Термин «экология» (от греч. oikos — дом, родина и logos — учение, слово) впервые введен в 1866 г. немецким биологом, профессором Йенского университета Э. Геккелем (1834—1919). В своем труде «Всеобщая морфология» (1866) он писал: «Экология — это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая антагонистические и неантагонистические отношения животных и растений, контактирующих друг с другом».

Немецким биолог эволюционист, Эрнст Геккель, последователь Ч.Дарвина считал, что определяющим основным предметом исследования этого раздела биологии- взаимоотношения организмов с окружающей средой, к которой он относил «все условия их существования». «Под экологией мы понимаем - изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин называет, условиями, порождающими борьбу за существование».

В середине XX в. экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Начало такому пониманию положили работы В. И. Вернадского, В. В. Докучаева, Ю. П. Одума, А. Дж. Тенсли, Н. В. Тимофеева-Ресовского и других известных ученых. В таблице 1. приведен календарь событий, иллюстрирующий долгий путь становления экологии как науки.


Тема 2. Предмет, задачи и структура современной экологии


Содержание современной экологии лучше всего можно определить, исходя из концепции уровней организации. Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген – основные уровни организации жизни. Расположены в иерархическом порядке – от малых систем к крупным. На каждом уровне или ступени в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Экология изучает, главным образом, системы надорганизменных уровней организации: популяционные, экологические.

Самой крупной и наиболее близкой к идеалу по «самообеспечению» веществом и энергией является биологическая система – биосфера.

Иерархические подход дает удобную основу для подразделения и изучения экологических ситуаций. На этом основании можно дать определение экологии как науки, ее содержания, предмета и задач.

Экология - наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей неживой природой.

Основным содержанием современной экологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение функционирования биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем), биосферы, их продуктивности и энергетики.

Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяция, биоценозы) и их динамика во времени и пространстве.

Задачи экологии - изучение закономерностей размещения живых организмов в пространстве, изменения численности организмов, потока энергии через живые системы и круговорота веществ и т.д.

Экологические «законы» Барри Коммонера (американский эколог) были сформулированы в начале 70-х годов. Они отражают суть рационального природопользования:

1. Все связано со всем
   
2. Все надо куда-то девать
   
3. За все надо платить
   
4. Природа знает лучше
   

Экология - комплексная социоестественная наука, в предмет которой вовлечены все стороны жизнедеятельности человека.

Структура современной экологии


Общепринято считать, что экология как наука подразделяется на классическую и современную. При этом под «классической» экологией понимают «общую экологию» («биоэкологию») по Э. Геккелю, а в «современную» экологию помимо этого включают ее прикладные разделы: охрану окружающей среды и природопользование, глобальную и социальную экологию.

Экология за 150 лет своего развития из раздела биологической науки превратилась в междисциплинарный комплекс знаний и методов, связанных с изучением взаимоотношений организмов (в том числе и человека) со средой, допустимых пределов воздействий общества на природу и последствий этого, а также их минимизации — вплоть до полной ликвидации неблагоприятных последствий и восстановления (реабилитации) природной среды.

ЭКОЛОГИЯ

Общая (биоэкология) по уровням организации аутоэкологи демэкология спецэкология (эйдэкология) синэкология биоценология биогеоценология биосферология (учение о биосфере) Э. растений Э. животных Э. микроорганизмов Э. водных организмов

Геоэкология по типам среды Э. суши Э. пресных вод Э. высокогорий и т.д. Социальная экология Глобальная Экология человека Экологическое право

Прикладная По сферам деятельности человека Промышленная Технологическая Сельскохозяйственная Медицинская Промысловая Химическая Рекреационная Геохимическая природопользования

Аутэкология - изучает взаимодействие особи с окружающей средой.

Демэкология - популяционная экология.

Спецэкология (эйдэкология) - экология вида.

Синэкология - экология сообществ.

Биоценология - экология биоценозов.

Биогеоценология - экология о биоценозах.

Биосферология - учение о биосфере.

Экология прикладная - разрабатывает нормы использования природных ресурсов среды, принципов рационального использования природных ресурсов, изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса.

Экология социальная - научная дисциплина, исследующая взаимоотношения и взаимосвязи человеческого общества со средой природной.

Агроэкология - изучает взаимодействие человека с окружающей средой в процессе с/х производства, влияние с/х на природные комплексы и их компоненты, взаимодействие между компонентами агроэкосистем и специфику круговорота в них веществ и энергии.

Цели и задачи агроэкологии:

• обеспечение производства качественной биологической продукции;
  
• сохранение и воспроизводство природно-ресурсной базы;
  
• минимализация негативного воздействия на окружающую природную среду.
  

Раздел II. Аутэкология

Тема 1. Среда и условия существования организмов


Различают такие понятия как среда и условия существования организмов.

Среда обитания - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимые для жизни и в неё же выделяют продукты обмена веществ. Среда обитания каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие - необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие.

Живые организмы - открытые системы. Испытывая потребность в притоке вещества и энергии, организмы полностью зависят от среды.

Влияние живых организмов на среду: растений на климат и водный режим (содержание в воздухе О₂, N₂, СО₂ зависит от жизни различных организмов); почвообразующая деятельность живых организмов; влияние водных организмов на качество природных вод (фильтрационное питание и 40 видов животных - биологическое самоочищение); живые организмы играют средообразующую роль.

Условия жизни, или условия существования – это совокупность необходимых для организма элементов среды обитания, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которого существовать не может.

Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами.

Существуют различные подходы к классификации экологических факторов.

Экологические факторы
Абиотические - факторы неживой природы	Биотические – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие		Антропогенные - факторы влияние человека на другие виды и на среду обитания.
Метеорологические (температура, влажность воздуха, давление, скорость и сила ветра)	Фитогенные (воздействие растений)		Хозяйственные (непосредственное удовлетворение потребностей жизнеобеспечения человека)
Геофизические (солнечная радиация, космическое излучение, геомагнетизм, особенности ландшафта)	Зоогенные (воздействие животных)		Техногенные (применение машин и сложного технического оборудования для достижения определенных целей)
Химические (компоненты воды, воздуха, почвы, кислотность, примеси и др.)	Микробогенные (воздействие микроорганизмов)
По времени эволюционный исторический	По периодичности периодический непериодический		По очередности первичный вторичный
По происхождению космический абиотический (абиогенный) биогенный биотический биологический природно-антропогенный антропогенный (в т.ч. техногенный, загрязнение среды, в т.ч. беспокойство)		По среде возникновения атмосферный водный (влажности) геоморфологический эдафический физиологический генетический популяционный биоценотический экосистемный биосферный

Все факторы:

Ресурсы - факторы, которые организм может потреблять и тем самым снижать их доступность;

Условия - факторы, воздействие которых на организм не зависит от их потребления другими организмами.


Тема 2. Влияние основных абиотических факторов на живые

организмы


Температуры как экологический фактор


Температура - один из важнейших экологических факторов. Во-первых, действует везде и постоянно. Во- вторых, влияет на скорость многих физических процессов и химических реакций, в т.ч. и на процессы, идущие в живых организмах, влияет на анатомо-морфологические особенности организмов, их рост, развитие и во многом на географическое распространение растений и животных.

Все организмы в зависимости от температурных режимов среды обитания делятся на: криофилов (организмы, живущие при низких температурах) и термофилов (организмы, живущие при высоких температурах).

Общие закономерности воздействия температуры

Любой организм способен существовать лишь в определенном диапазоне температуры. Этот диапазон ограничен нижней летальной температурой (смертельной) и верхней летальной температурой, наиболее благоприятная для жизнедеятельности и роста температура, называется оптимальной.

В зависимости от ширины интервала температуры, в которой данный вид может существовать организмы делят на:

Эвритермные - (греч. eurys - широкий) - организмы, выдерживающие широкие колебания температуры;

Стенотермные - живут в узком диапазоне температур (греч. stenos - узкий).

Большинство живых организмов могут существовать только в интервале температур 0 и 50^оС, т.к. при этих температурах происходит нормальный обмен веществ. Однако, самая низкая температура, при которой обнаружены живые существа - 200^оС, а самая высокая до +100^оС. Бактерии горячих источников выдержат температуру 88^оС, цианобактерии (синезеленые водоросли) 80^оС.

Температура - фактор, определяющий предпочтительность местообитания, степень активности и жизнедеятельности организма, длительность развития и число поколений в году. Например, Личинка колорадского жука ежедневно потребляет 638 мм² листьев картофеля при 36^оС и только 215 мм² при 16 ^оС. При температуре 10-13^оС взрослое животное перестает питаться. Наибольшее количество пищи потребляется при 25^оС. Температура влияет на плодовитость. При 25^оС жук наиболее плодовит. Колебания температуры так же важны для живых организмов. Например, Шелфорд (1929) обнаружил, что яйца, личинки, куколки яблоневой плодоножки в условиях колебания температур развивались на 7-8 % быстрее, чем при постоянной температуре.


Например, оптимальна температура для выращивания растений:

Растение	Температура, оС
	дневная	ночная
Астра Томаты	24 24	16 18

Различные адаптации к температуре


Биохимические. Важную роль играет в приспособлении к температуре теплоустойчивость белков и клеточных структур. Особенно химические адаптации важны для микроорганизмов и растений.

При адаптации к низким температурам в клетках растения увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной воды, не связанной в коллоиды, следовательно, связанная вода плохо испаряется и замерзает, она становится кристаллической по структуре и в то же время сохраняет жидкое состояние. Между частицами цитоплазмы и водой устанавливается единство структуры, обеспечивающее ей, таким образом, вхождение в структуру макромолекул белков и нуклеиновых кислот. В таком состоянии ее трудно заморозить, перевести в твердое состояние.

Так же приспособлением к низким температурам является и отложение питательных веществ в виде высокоэнергетических соединений - жира, масла, гликогена и др. Например, у млекопитающих большое скопление питательных веществ наблюдается в бурой жировой ткани в непосредственной близости от жизненно важных органов - сердца и спинного мозга - и имеет приспособительных характер. В митохондриях клеток этой ткани при клеточном дыхании на синтезируется АТФ, а вся энергия рассеивается в виде тепла (Степановских А.С., 1997).

Акклимация - изменение пределов выносливости под влиянием предшествующих условий. Пример - закалка растений. Акклимация связана перестройкой различных биохимических процессов. Например, у многих животных в ходе акклимации меняется состав липидов.


Морфологические

Примером морфологической адаптации у животных является: густой и длинный мех у млекопитающих, когда их выращивают при низкой температуре.

Одно из важнейших приспособлений к температуре у растений – форма их роста. Например, в Арктике в высокогорье много растений с прикорневыми розетками листьев, стелющихся форм. Растения улавливают максимум тепла солнечных лучей и используют тепло нагретой поверхности.


Правила (законы), управляющие адаптациями млекопитающих


Правило Бергмана: «При продвижении на север средние размеры тела в популяциях теплокровных животных увеличиваются». При увеличении размеров увеличивается относительная поверхность тела, а значит и теплоотдача.

Правило Алена: «У видов, живущих в более холодном климате, различные выступающие части тела (хвост, уши, конечности и др.) меньше, чем у родственных видов из более теплых мест».

Правило Глогера: «Окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и влажном».


Физиологические адаптации

Терморегуляция - способность организмов в определенных пределах менять температуру своего тела, на основе физиологических процессов. Обычно она сводится к поддержанию температуры тела на более постоянном уровне, чем температура окружающей среды.

Все животные делятся на:

Пойкилотермные (с греч. poikilos - различный и therme - тепло) - организмы с постоянной температурой тела. Некоторые пойкилотермные способны к терморегуляции (например, крупные вараны, тунцы, способны повышать температуру тела в период высокой мышечной активности);

Гомойотермные (с греч. homoios подобный) - животные, имеющие практически постоянную температуру тела, независимо от температуры среды.

Гомойотермные животные называют еще эндотермные, т.к. они существуют за счет внутренних источников тепла.

А пойкилотермных животных называют эктотермные, т.к. они больше зависят от тепла, поступающего извне, чем от того тепла, которое образуется в обменных процессах.

Гомойотермные организмы способны к:

Химической терморегуляции - способности регулировать теплопродукцию за счет изменений обмена. У млекопитающих есть ткань, «ответственная» за теплопродукцию, - бурый жир. В митохондриях клеток этой ткани при клеточном дыхании не синтезируется АТФ, а вся энергия рассеивается в виде тепла.

Физической терморегуляции - способности регулировать теплоотдачу. В ней участвуют изменения морфологии, поведения и физиологических реакций. Например, 1. зимой у птиц увеличивается масса перьев; 2. многие животные накапливают жир, и подкожный жировой слой обеспечивает, теплоизоляцию; 3. в выступающих или поверхностных частях тела (например, в ластах китов, в лапах некоторых птиц) есть сплетение сосудов, в котором вены тесно прижаты к артериям (чудесная сеть) по артериям кровь отдает тепло венам, оно возвращается к телу, а артериальная кровь поступает в конечности охлажденной. При этом конечности - пойкилотермны, зато, температуру тела можно поддержать с меньшей затратой энергии; 4. у собак и птиц - учащенное дыхание для низкой температуры тела; 5. для уменьшения температуры некоторые сумчатые в жару обмазывают шкуру слюной.


Поведенческие адаптации

Перелеты, миграции, изменение сроков активности. Переход на питание более калорийной пищей (белки в теплое время поедают более 100 видов кормов, зимой же питаются, главным образом, семенами хвойных, богатых жирами). Утепляют убежища, гнезда, углубление нор, принятие особой позы (скручивание кольцом, укрывание хвостом, собирание в группы (скучиванье). Некоторые животные согреваются путем перебежек и прыжков.

Свет – абиотический фактор


Излучения, доходящие до земли, состоят из теплового излучения (инфракрасные лучи, и небольшая часть видимого спектра), лучей, обладающих химической активностью (ультрафиолетовые лучи) и лучей видимого спектра.

Состав лучистой энергии, достигающий земной поверхности в ясный день.

Видимый свет	50 %
Инфракрасное излучение	50 %
Ультрафиолетовое излучение	1 %

Влияние света на фототрофов. Фотосинтез происходит в присутствии видимого солнечного света. Пигменты хлоропластов получают излучения примерно между 380 и 740 нм, поэтому данную область называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Солнечный свет, проходя через воду, приобретает зеленоватый оттенок, т.к. красная и синяя области спектра отфильтровываются водой. Зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Животные в море красные водоросли, имеют дополнительные пигменты, что позволяет им жить на большей глубине, чем зеленые водоросли.

Фототрофы – организмы способные преобразовывать энергию света в энергию химических связей, используемую затем для синтеза органических веществ из неорганических. Или другими словами – это организмы способные под воздействием солнечного света, при реакции фотосинтеза из неорганических веществ получать органические.

Растения по потребности в свете делятся на:

Световые – растения, приспособленные к свету высокой интенсивности, которые плохо чувствуют себя при затенении (гелиофиты). Растения, обитают на открытых местах (лиственница, сосна обыкновенная, береза).

Теневые (тенелюбивые) – растения, приспособленные к низкой интенсивности света, живут под пологом леса (сциофиты) (Н-р, кислица, мхи).

Теневыносливые растения могут жить при разной интенсивности света. Относятся деревья, начинающие рост под пологом леса, а затем выходящие в верхние ярусы леса. Так же травянистые растения опушек, лесных полян (земляника лесная, ландыш майский, черника) – (Факультативные гелиофиты).

Роль света для гетеротрофов

Гетеротрофы – организмы, потребляющие готовые органические вещества и не способные к их синтезу.

Животные ориентируются с помощью зрения. Они могут жить в условии полной темноты.

Фотопериодизм – реакция растений на суточные ритм освещения, т.е. длины дня и длины ночи. С греч. Photos – свет, periodos – чередование, круговращение. Важен для синхронизации жизнедеятельности и поведения растений и животных (особенно размножения) с временами года.

Реакция растений на продолжительность дня

Длинодневные	Короткодневные	Нейтральные
Белена Хлебные злаки Клевер Фиалка	Табак Рис Просо Соя Конопля Астры	Гречиха Горох

Под влияние продолжительности дня в растениях образуются гормоны, влияющие на цветение, образование клубней, луковиц.

У животных фотопериодизм наблюдается: наступление и прекращение брачного периода, т.к. от длины дня зависит созревание половых желез многих млекопитающих, плодовитость, линька, наступление зимней спячки, миграция.

Часто фотопериодическая реакция наступает лишь при сочетании определенной длины дня и какого-то второго стимула. Например, при слишком низкой температуре растения не зацветают даже при подходящем фотосинтезе.

Хемоавтотрофы – для синтеза органических веществ, используют химическую энергию. Например, серобактерии и железобактерии, которые получают энергию при окислении соединений серы и железа.


Вода как биотический фактор


Вода – экологический фактор для водных организмов

Физические свойства воды – плотность, удельная теплоемкость, растворенные в ней газы и соли, показатель рН, а так же ее движение – экологические факторы, определяющие разнообразие приспособления и выживание – обитателей водной среды: Кислотность воды влияет на продуктивность водоема. Если рН ниже 5 , то продуктивность пресных вод резко уменьшается.

Влияние влажности на наземные организмы

Биохимические реакции, идущие в клетках, протекают в жидкой среде. Вода – «уникальный растворитель». В растворенном виде транспортируются питательные вещества, гормоны и т.д. Вода участвует в фотосинтезе растений, многие из них рассеиваются с помощью воды. В зависимости от места обитания различают следующие экологические группы растений.

Гидрофиты – водные растения, обитающие в водоемах, мелководье и на болотах. Например, кубышка желтая, кувшинка и т.д.

Гигрофиты – (от греч. «гигрос» – влажные и «фито» - растение) растения живущие в условиях постоянно высокой влажности воздуха и почвы (в нижних ярусах сырых лесов. Например, в сырых ольховых лесах, по долинам рек, на заболоченных участках. Примеры: на осоковых болотах – осоки, плаун-трава; торфяных, или сфагновых болотах – сфагновые мхи, росянка;на сырых лугах – гравилат речной, незабудка болотная, осока лисья; прибрежные – тростник обыкновенный, осоки; в ольховых лесах – бодяг огородный; в сырых еловых лесах – мох кукушкин лен, луговой и лесной хвощ. Их еще называют влаголюбивыми.

Мезофиты – это растения умеренно увлажненных местообитаний. Это луговые и лесные растения. Из луговых: тимофеевка луговая, клевер; из лесных: сныть обыкновенная, орешник, береза.

Ксерофиты – (от греч. «ксерос» - сухой) засухоустойчивые растения, обитающие в условиях недостаточного увлажнения (в степях и пустынях). Например, ковыль, кустарник джузгун, саксаулы, типчак.

Структурные приспособления у ксерофитов направленные на уменьшение расхода воды:

1. Общее сокращение транспирирующей поверхности за счет мелких, сильно редуцированных листовых пластинок;
   
2. Уменьшение листовой поверхности в наиболее жаркие и сухие периоды вегетационного сезона;
   
3. Защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию благодаря развитию мощных покровных тканей – толстостенного и многослойного эпидермиса, не редко несущего различные выросты и волоски, которые образуют густое «войлочное» опушение поверхности листа;
   
4. Усиленное развитие механической ткани, предупреждающее обвисание листовых пластинок при больших потерях воды.
   

К ксерофитам относятся:


Склерофиты – (от греч. «склерос» – твердый, жесткий), которые не накапливают в себе воду, а испаряет ее в большом количестве, постоянно доставая из глубоких слоев почвы. Тело их сухое, иногда одревесневшее, с большим количеством механической ткани. При продолжительном прекращении подачи воды, наблюдается сбрасывание листьев или частей побегов, следовательно, сокращается испарение. Многие переносят засуху в состоянии покоя. Другая группа ксерофитов – суккуленты от лат «суккулентус» – сочный, жирный). Водозапасающие ткани у них могут быть развиты в стеблях или листьях, следовательно, они делятся на стеблевые суккуленты (кактусы, молочаи) и листовые суккуленты (алоэ, молодило), характерная особенность – высокая поглощающая способность.