Лекции по дисциплине экология

1 Предмет и задачи дисциплины «Экология»

Предмет экологии. Экология (от греч. Oikos -  дом, жилище, местообитание и logos - учение) - наука о взаимоотношени­ях живых организмов между собой и со средой их обитания. Термин «экология» впервые ввел немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 г. в книге «Всеобщая морфология организмов».

Экология возникла как часть биологии. Но в настоящее время экология распалась на ряд научных дисциплин, часто далеких от первоначального ее понимания. Отмечается разно­образное толкование содержания термина «экология». Но в любом случае в основе всех современных направлений эколо­гии лежат фундаментальные идеи биоэкологии.

 Биоэкология - одна из биологических наук, изучающая отношения организмов (особей, популяций, со­обществ) между собой и окружающей средой. Предметом изу­чения биоэкологии (общей экологии) являются объекты организменного, популяционно-видового, биоценотического, биогеоценотического и биосферного уровней организации в их взаимодействии с окружающей средой.

Таким образом, по размерам объектов изучения, выделяют следующие разделы экологии: молекулярная экология изучает взаимодействие биомолекул с окружающей средой; экология клеток и тканей изучает взаимодействие клеток и тканей с окружающей средой; экология особей (аутоэкология, факто­риальная экология) изучает взаимодействие организма с окру­жающей средой; экология популяций (демэкология) изучает вза­имодействие между особями в популяции и популяций с ок­ружающей средой; экология сообществ (синэкология) изучает взаимодействие между популяциями в сообществе и, сооб­ществ с окружающей средой; биогеоценология изучает биогео­ценозы; учение о биосфере (глобальная экология) изучает био­сферу Земли.

Таким образом, в широком смысле современная экология - комплексная (междисциплинарная) наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаи­модействии природы и общества. Ее задача - изучение зако­нов взаимодействия природы и общества и оптимизация это­го взаимодействия.

Задачи экологии: изучение двусторонних связей между биологическими объектами разных уровней организации и сре­дой; изучение механизмов адаптации к среде; изучение меха­низмов устойчивости экосистем; изучение механизмов под­держания биоразнообразия; исследование продукционных процессов; моделирование экологических систем и процессов; изу­чение законов взаимодействия человеческого общества и при­роды, прогноз и оптимизация этого взаимодействия и др.

2 История развития дисциплины «Экология»

Историю развития экологии можно условно разделить на 3 этапа.

I. Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (с глубокой древности до середины XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организ­мов со средой их обитания, делались первые научные обобще­ния. Это самый длительный в истории экологии этап.

Еще в первобытном обществе люди имели отдельные пред­ставления о повадках животных, образе их жизни, о сроках сбора растений, употребляемых для их нужд, о местах произ­растания растений, о способах выращивания и ухода за ними. Сведения подобного рода встречаются в сохранившихся па­мятниках древнеегипетской, индийской, тибетской культур. Например, в китайских хрониках IV—II вв. до н. э. описываются условия произрастания различных сортов культурных растений.

В период Средневековья накопления экологических све­дений практически не происходило, поскольку в науке доми­нирующей была теологическая теория происхождения жизни, и виды считались неизменными, влияние среды вообще отрицалось. Только единичные труды этого периода содер­жат факты научного значения. Большинство из них имеют прикладной характер: описание целебных трав (Авиценна, 980-1037), культивируемых растений и животных, природы далеких стран (Марко Поло, XIII в.).

В эпоху Возрождения великие географические открытия послужили толчком дальнейшему развитию естественных наук и экологии в том числе. В этот период происходило накопле­ние и описание фактического материала о разнообразии жи­вых организмов, их распространении, выявление особеннос­тей строения растений и животных, живущих в условиях той или иной среды.

С конца XVIII в. быстрыми темпами развивалась биогеог­рафия, что способствовало дальнейшему развитию экологи­ческого мышления.

II Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (с середины XIX в. до середины XX в.).

В 1859 г. английский ученый Ч. Дарвин (1809-1882) опубликовал научный труд «Происхождение видов путем ес­тественного отбора», в котором вскрыл механизм эволюцион­ного процесса путем естественного отбора.

В 1866 году немецкий биолог Э. Геккель впервые употре­бил термин «экология» в своем труде «Всеобщая морфология организмов», а в 1868 году в книге «Натуралистическая теория мирообразования» он дал определение сущности новой на­уки. Однако этот термин прижился только к концу XIX в.

В 40-е гг. в экологии возник новый принцип исследования природных сообществ в их взаимосвязи со средой обитания. В 1935 г. английский ученый А. Тенсли ввел термин «экосис­тема», а в 1940 г. советский ученый В.Н. Сукачев (1880—1967) ввел термин «биогеоценоз».

III. Третий этап - превращение экологии в междисципли­нарную науку (с середины XX в. по настоящее время). С сере­дины XX в. успехи экологии, на фоне усугубляющихся про­блем состояния природной среды привели к «экологизации» многих биологических (и не только биологических) наук. Из строго биологической науки экология превратилась в комп­лекс знаний, включающих в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. На границе экологии и других наук начали возникать пограничные науки, такие, как математичес­кая экология, промышленная экология, сельскохозяйственная экология, медицинская экология, инженерная экология, эко­номическая экология и др. В настоящее время достижения экологии являются теоретической основой для выработки стратегии взаимоотно­шений человечества с Природой, рационального природополь­зования и охраны природы.

Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Дж.М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швей­цер, Дж. Харпер, Р. Уиттекер, Н. Борлауг, Т. Миллер, Б. Не­бел и др. Среди отечественных ученых следует назвать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова, Ю.А. Изра-эля, Ю.Н. Куражковского, К.С. Лосева, Н.И. Моисеева, Н.П. Наумова, Н.Ф. Реймерса, В.В. Розанова, Ю.М. Свирижева, В.Е. Соколова, В.Д. Федорова, С.С. Шварца, А.В. Яблокова, А.Л. Яншина и др.

3 Уровни биологической организации и экологии

Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней. Уровень организации живой материи - это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи: молекулярный, субклеточный, клеточный, органно-тканевой, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический, биосферный.

Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие, как белки, нуклеиновые кис­лоты и др.

Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные струк­туры.

Клеточный. На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и фун­кциональной единицей живого.

Органно-тканевой. На этом уровне живая материя орга­низуется в ткани и органы. Ткань - совокупность клеток, сход­ных по строению и функциям, а также связанных с ними меж­клеточных веществ. Орган — часть многоклеточного организ­ма, выполняющая определенную функцию или функции.

Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) - неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.

Популяционно-видовой. На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция - совокупность осо­бей одного вида, образующих обособленную генетическую си­стему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид - совокупность особей (популяций особей), спо­собных к скрещиванию с образованием плодовитого потом­ства и занимающих в природе определенную область (ареал).

Биоценотический. На этом уровне живая материя образу­ет биоценозы. Биоценоз — совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Биогеоценотический. На этом уровне живая материя фор­мирует биогеоценозы. Биогеоценоз - совокупность биоцено­за и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).

Биосферный. На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера - оболочка Земли, преобразованная де­ятельностью живых организмов.

Необходимо отметить, что биогеоценотический и биосферный уровни организации живой материи выделяют не всегда, поскольку они представлены биокосными системами, включающими не только живое вещество, но и неживое. Также часто не выделяют субклеточный и органно-тканевой уровни, включая их в клеточный и организменный  соответственно.

4 Системы организмов и биота Земли

Для понимания структуры и функционирования экологических систем представляется целесообразным сформулировать наиболее общие свойства живых систем клеточного и организменного уровней организации в терминах физической картины мира. 

В настоящее время на Земле описано более 2,5 млн видов живых организмов. Однако реальное число видов Земле в несколько раз больше, так как многие виды микроорганизмов, насекомых и др. не учтены. Кроме того, считается, что современный видовой состав - это лишь около 5% от видового разнообразия жизни за период ее существования на Земле.

Для упорядочения такого многообразия живых организм служат систематика, классификация и таксономия. Систематика - раздел биологии, занимающийся описанием, обозначением и классификацией существующих и вымерших организмов по таксонам. Классификация - распределение всего множества живых организмов по определенной системе иерархически соподчиненных групп - таксонов. Таксономия - раздел систематики, разрабатывающий теоретические основы классификации. Таксон — искусственно выделенная человеком группа организмов, связанных той или иной степенью родства, статочно обособленная, чтобы ей можно было присвоить определенную таксономическую категорию того или иного ранга

В современной ксистематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел, класс, порядок, семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы, над- подклассы и т.д.

Систематика живых организмов постоянно изменяется и обновляется. В настоящее время она имеет следующий вид:

I. Неклеточные формы. Царство Вирусы.

II.   Клеточные формы.

5 Понятие о среде обитания и экологических факторах

Среда обитания (жизни) - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определенное действие. На нашей планете живые организмы освоили 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и низменную. Первой была освоена водная среда. Затем появились паразиты и симбионты, использующие организменную среду обитания. В дальнейшем после выхода жиз­ни сушу, живые организмы населили наземно-воздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву. Под почвенной средой обитания подразумевают не только собственно почву, но и горные породы поверхностной части литосферы.

Экологические факторы -  это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздействия экологических факторов.

По природе экологические факторы делят на абиотические и биотические, природные и антропогенные.

Абиотические факторы - компоненты неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на организм. Их деля на следующие группы:

- климатические факторы (свет, температура, влажность, ветер и др.);

- геологические факторы (землетрясения, извержения вул­канов и др);

- орографические факторы, или факторы рельефа (высота местности над уровнем моря, крутизна местности, экспозиция местности  и др.);

- эдафические, или почвенно-грунтовые, факторы (грану­лометрический состав, химический состав, плотность, структура, рН и др.);

-гидрологические факторы (течение, соленость, давление и др.).

Иначе абиотические факторы делят на физические и хими­ческие.

Биотические факторы - воздействие на организм других живых организмов.В зависимости от вида воздействующего организма их раз­деляют на две группы:

- внутривидовые, или гомотипические, факторы - это вли­яние на организм особей этого же вида (зайца на зайца, сосны на сосну и т.д.);

- межвидовые, или гетеротипические, факторы - это вли­яние на организм особей других видов (волка на зайца, сосны на березу и т.д.).

В зависимости от принадлежности к определенному цар­ству биотические факторы подразделяют на четыре основные группы:

- фитогенные факторы - это влияние на организм;

- зоогенные факторы - влияние животных;

- микогенные факторы - влияние грибов;

- микробогенные факторы - влияние микроорганизмов (ви­русов, бактерий, простейших).

Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.).

При этом различают воздействие человека как биологического организма (потребление пищи, дыхание, выделение и т.д.) и его хозяйственную деятельность (сельское хозяйство, промышленность, энергетика т.д.). Факторы, связанные с хозяйственной деятельностью человека, называются техногенными..

В зависимости от характера воздействий антропогенные факторы делят на две группы:

- факторы прямого влияния - это непосредственное (прямое) воздействие человека на организм (скашивание травы, вырубка леса, отстрел животных и т.д.)

- факторы косвенного влияния — это опосредованное (косвенное) воздействие на организм (загрязнение окружающей среды, беспокойство т.д.).

6 Лимитирующие факторы

Впервые на значение лимитирующих факторов указал немецкий агрохимик Ю. Либих в середине XIX в. Он установил закон минимума: урожай (продукция) зависит от фактора, находящегося в минимуме. Если в почве полезные компоненты в целом представляют собой уравновешенную систему и только какое-то вещество, например фосфор, содержится в количествах, близких к минимуму, то это может снизить урожай. Но оказалось, что даже те же самые минеральные вещества, очень полезные при оптимальном содержании их в почве, снижают урожай, если они в избытке. Значит, факторы могут быть лимитирующими, находясь и в максимуме.

Таким образом, лимитирующими экологическими факторами следует называть такие факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием). Их иногда называют ограничивающими факторами.

Диапазон толерантности организма не остается постоянным - он, например, сужается, если какой-либо из факторов близок к какому-либо пределу, или при размножении организма, когда многие факторы становятся лимитирующими. Значит, и характер действия экологических факторов при определенных условиях может меняться, т. е. он может быть, а может и не быть лимитирующим. При этом нельзя забывать, что организмы и сами способны снизить лимитирующее действие факторов, создав, например, определенный микроклимат (микросреду). Здесь возникает своеобразная компенсация факторов, которая наиболее эффективна на уровне сообществ, реже - на видовом уровне.

Лимитирующий фактор - фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма. Лимитирующий фактор ограничивает любое проявление жизнедеятельности организма. С помощью лимитирующих факторов регулируется состояние организмов и экосистем.

7 Значение физических и химических факторов среды

в жизни организмов.

Физические факторы – это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механические, волновые и др.) Например, температура, если она высокая – будет ожог, если очень низкая – обмораживание. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде – течение, на суше – ветер и влажность, и т. п.

Химические факторы – это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, если она высокая, жизнь в водоёме может вовсе отсутствовать (Мёртвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т. п.

Один и тот же фактор среды имеет разное значение в жизни совместно обитающих организмов. Например, солевой режим почвы играет первостепенную роль при минеральном питании растений, но безразличен для большинства наземных животных. Интенсивность освещения и спектральный состав света исключительно важны в жизни фототрофных растений, а в жизни гетеротрофных организмов (грибов и водных животных) свет не оказывает заметного влияния на их жизнедеятельность.

Экологические факторы действуют на организмы по-разному. Они могут выступать как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования тех или иных организмов в данных условиях; как модификаторы, определяющие морфологические и анатомические изменения организмов.

8 Эдафические факторы и их роль в жизни растений почвенной биоты.

Эдафические факторы (от греч. edaphos - земля, почва), почвенные условия, которые влияют на жизнь и распространение живых организмов. К эдафическим фактором относят водный, газовый и температурный режимы почвы, её химический состав и структуру, которая обусловлена преимущественно органическими веществами. Почву населяют различные почвенные микроорганизмы (бактерии, водоросли, грибы), представители многих групп беспозвоночных (простейшие, черви, моллюски, насекомые и их личинки), роющие позвоночные. Организмы, живущие в почве (почвенная фауна), играют важную роль в формировании плодородия почв и т. о. служат одним из существ, факторов почвообразования.

Специфические растительные ассоциации, как уже отмечалось, формируются в связи с разнообразием условий мест обитании, включая и почвенные, а также и в связи с избирательностью по отношению к ним растений в определенной ландшафтно-географической зоне. Следует учитывать, что даже в одной зоне в зависимости от ее рельефа, уровня грунтовых вод, экспозиции склона и ряда других факторов создаются неодинаковые почвенные условия, которые отражаются на типе растительности. Типы почв являются мощным фактором распределения растений. На наземных животных эдафические факторы оказывают меньшее влияние. Вместе с тем животные тесно связаны с растительностью, и она играет решающую роль в их распределении. Однако и среди крупных позвоночных легко обнаружить формы, которые приспособлены к конкретным почвам. Это особенно характерно для фауны глинистых почв с твердой поверхностью, сыпучих песков, заболоченных почв и торфяников. В тесной связи с почвенными условиями находятся роющие формы животных. Одни из них приспособлены к более плотным почвам, другие могут разрывать только легкие песчаные почвы. Типичные почвенные животные также приспособлены к различным видам почв.

В целом же по ряду экологических особенностей почва является средой промежуточной между наземной и водной. С воздушной средой почву сближает наличие почвенного воздуха, угроза иссушения в верхних горизонтах, относительно резкие изменения температурного режима поверхностных слоев. С водной средой почву сближают ее температурный режим, пониженное содержание кислорода в почвенном воздухе, насыщенность его водяными парами и наличие воды в других формах, присутствие в почвенных растворах солей и органических веществ, возможность двигаться в трех измерениях. Как и в воде, в почве сильно развиты химические взаимозависимости и взаимовлияние организмов.

9 Статистические и динамические показатели популяций

Популяция - совокупность особей одного вида, способных к самовоспроизводству, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособлено от других совокупностей того же вида.

Статистические показатели популяции

Численность - число особей в популяции. Численно популяции может значительно изменяться во времени, зависит от биотического потенциала вида и внешних условий.

Плотность - число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объема.

Популяция характеризуется определенной структурной организацией - соотношением групп особей по полу, возрасту, размеру, генотипу, распределением особей по территории т.д. В связи с этим выделяют различные структуры популяции: половую, возрастную, размерную, генетическую, пространственно-этологическую и др. Структура популяции формируется, с одной стороны, на основе общих биологических свойств вида, с другой стороны, под влиянием факторов среды, то есть имеет приспособительный характер.

Половая структура (половой состав) - соотношение осо­бей мужского и женского пола в популяции. Половая структу­ра свойственна только популяциям раздельнополых организ­мов. Теоретически соотношение полов должно быть одинако­вым: 50% от общей численности должны составлять мужские особи, а 50% -женские. Фактическое соотношение полов зависит от действия различных факторов среды, генетических и физиологических особенностей вида.

Возрастная структура (возрастной состав) - соотношение в популяции особей разных возрастных групп. Абсолютный возрастной состав выражает численность определенных воз­растных групп в определенный момент времени. Относитель­ный возрастной состав выражает долю или процент особей дан­ной возрастной группы по отношению к общей численности популяции. Возрастной состав определяется рядом свойств и особенностей вида: время достижения половой зрелости, продолжительность жизни, длительность периода размножения, смертность и др.

Пространственно-этологическая структура - характер распределения особей в пределах ареала. Она зависит от особенностей окружающей среды и особенностей поведения вида. Различают три основных типа распределения особей пространстве: равномерное, неравномерное  и случайное.

По типу использования пространства все подвижные жи­вотные подразделяются на оседлых и кочевых. По форме совместного существования животных выделяют одиночный образ жизни, семейный, колониями, стаями, стадами.

Генетическая структура - соотношение в популяции раз­личных генотипов и аллелей. Совокупность генов всех особей популяции называют генофондом. Генофонд характеризуют частоты аллелей и генотипов. Частота аллеля — это его доля всей совокупности аллелей данного гена. Сумма частот в аллелей равна единице: p + q =l,

где р — доля доминантного аллеля (A); q - доля рецессивно аллеля (а).

Зная частоты аллелей, можно вычислить частоты генотипов в популяции:

(р + q)² = р²+ 2рq+q²= 1,

где р и q — частоты доминантного и рецессивного аллелей соответственно, р² -частота гомозиготного доминантного генотипа (АА), 2pq - частота гетерозиготного генотипа (Аа), q²  - частота гомозиготного рецессивного генотипа (аа).

Динамические показатели популяции

Рождаемость (скорость рождаемости) — число новых осо­бей, появившихся в популяции за единицу времени в резуль­тате размножения.

Различают максимальную и фактическую рождаемость. Максимальная рождаемость — максимальная реализация воз­можности рождения при отсутствии лимитирующих факторов среды. Фактическая рождаемость -реальная реализация воз­можности рождения.

Различают абсолютную и удельную рождаемость. Абсолют­ная (общая) рождаемость - число особей (яиц, семян и т. п.), родившихся (от­ложенных, продуцированных и т. д.) за некоторый промежу­ток времени. Удельная рождаемость -  отношение скорости рождае­мости к исходной численности.

Эта величина зависит от интенсивности размножения особей: для бактерий - час, для фитопланктона - сутки, для насекомых - неделя или месяц, для крупных млекопитающих - год.

Смертность (скорость смертности) - число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин). Смертность - величин обратная рождаемости.

Различают минимальную и фактическую смертность. Минимальная смертность - минимально возможная величина смертности. Фактическая смертность - реальная величин смертности. Различают абсолютную и удельную смертность.

Скорость роста популяции - изменение численности популяции за единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения - иммиграции и выселения - эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемоемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности в результате смертности и эмиграции особей.

10 Динамика роста численности популяции и продолжительность жизни

Скорость роста может быть выражена в виде кривой роста популяции. Существуют две основные модели роста популяции: J-образная и S-образная.

J-образная кривая отражает неограниченный экспоненциальный рост численности популяции, не зависящий от плотности попу­ляции. Такой тип роста возможен пока биотический потенциал популяции реализуется полностью. Это продолжается, пока низка конкуренция за ресурсы. Однако после превышения емко­сти среды (предельной плотности насыщения, предельной численно­сти), произойдет резкое снижение численности.

S-образная (сигмоидная, логистическая) кривая отражает ло­гистический тип роста, зависящего от плотности популяции, при котором скорость роста популяции снижается по мере роста численности (плотности) скорость роста снижается вплоть до нуля при достижении предельной численности

Продолжительность жизни - длительность существования особи. Она зависит от генотипических и фенотипических фак­торов. Различают физиологическую, максимальную и среднюю продолжительность жизни. Физиологическая продолжительность жизни (ФПЖ) - это продолжительность жизни, которая могла бы быть у особи данного вида, если бы в период всей жиз­ни на нее не оказывали влияние лимитирующие факторы. Она зависит только от физиологических (генетических) возмож­ностей организма и возможна только теоретически. Макси­мальная продолжительность жизни (МПЖ) - это продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды. Она варьирует в широких пределах: от нескольких минут у бактерий до нескольких ты­сячелетий у древесных растений (секвойя). Обычно, чем круп­нее растение или животное, тем больше их продолжительность жизни, хотя бывают и исключения (летучие мыши доживают до 30 лет, это дольше, например, жизни медведя). Средняя продолжительность жизни (СПЖ) - это среднее арифмети­ческое продолжительности жизни всех особей популяции. Она значительно колеблется в зависимости от внешних условий, поэтому для сравнения продолжительности жизни разных ви­дов чаще используют генетически детерминированную МПЖ.

Выживаемость — абсолютное число особей (или процент от исходного числа особей), сохранившихся в популяции за определенный промежуток времени.

Выживаемость зависит от ряда причин: возрастного и по­лового состава популяции, действия тех или иных факторов среды и др.

11 Видовая структура биоценоза

Видовая структура биоценоза – число видов, образующих данный биоценоз, и соотношение их численности или массы. То есть видовая структура биоценоза определяется видовым разнообразием и количественным соотношением числа видов или массы между собой.

Видовое разнообразие — число видов в данном сообществе. Встречаются бедные и богатые видами биоценозы. Видовое разнообразие зависит от возраста сообщества (молодые сообщества беднее, чем зрелые) и от благоприятности основных экологических факторов — температуры, влажности, пищевых ресурсов (биоценозы высоких широт, пустынь и высокогорий бедны видами).

Различают а- и в- разнообразие. а - разнообразие - видовое разнообразие в данном местообитании, в-разнообразие — сумма всех видов всех местообитаний в данном районе.

Высоким видовым разнообразием отличаются экотоны - переходные зоны между сообществами, а увеличение здесь видового разнообразия называется краевым эффектом.

В сообществе различают следующие виды: доминантные, преобладающие по численности, и «второстепенные», малочисленные и редкие. Среди доминантов особо выделяют эдификаторов (строителей) - это виды, определяющие микросреду (микроклимат) всего сообщества. Как правило, это растения.

О значимости отдельного вида в видовой структуре биоценоза судят по нескольким показателям: обилие вида, частота встречаемости и степень доминирования. Обилие вида — число или масса особей данного вида на единицу площади объема занимаемого им пространства. Частота встречаемости - процентное отношение числа проб или учетных площадок, где встречается вид, к общему числу проб или учетных площадок. Характеризует равномерность или неравномерное распределения вида в биоценозе.

12 Продуцирование и разложение в природе

Фотосинтезирующие организмы создают органические вещества на Земле - продукцию - в количестве 100 млрд т/год и примерно такое же количество веществ должно превращаться в результате дыхания растений в углекислый газ и воду. Однако этот баланс неточен, так как известно, что в прошлые геологические эпохи создавался избыток органического вещества, в особенности 300 млн лет тому назад, что выразилось в накоплении в осадочных породах угля. Человечество использует это энергетическое сырье.

Избыток образовался вследствие того, что в соотношении О₂/СО₂ баланс сдвинулся в сторону СО₂ и заметная часть продуцированного вещества, хотя и очень небольшая, не расходовалась на дыхание и не разлагалась, а окаменевала и сохранялась в осадках. Сдвижение баланса в сторону повышения содержания кислорода около 100 млн лет назад сделало возможным эволюцию и существование высших форм жизни.

Без процессов дыхания и разложения, так же как и без фотосинтеза, жизнь на Земле была бы невозможна.

Продуцирование – способность автотрофных организмов производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и автотрофные бактерии).

Дыхание - это процесс окисления, который еще в древности справедливо сравнивали с горением. Благодаря дыханию как бы «сгорает» накопленное при фотосинтезе органическое вещество.

Итак, дыхание - процесс гетеротрофный, приблизительно уравновешивающий автотрофное накопление органического вещества. Различают аэробное, анаэробное дыхание и брожение.

Аэробное дыхание - процесс, обратный фотосинтезу, где окислитель - газообразный кислород присоединяет водород. Анаэробное дыхание происходит обычно в бескислородной среде и в качестве окислителя служат другие неорганические вещества, например сера. И наконец, брожение - такой анаэробный процесс, где окислителем становится само органическое вещество.

Посредством процесса аэробного дыхания организмы получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. Бескислородное дыхание - это основа жизнедеятельности сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие). Аэробное дыхание превосходит, и значительно, анаэробное в скорости.

Если поступление детрита (частичек отмершей органики) в почву или в донный осадок происходит в больших количествах, то бактерии, грибы, простейшие быстро расходуют кислород на его разложение, которое резко замедляется, но не останавливается вследствие «работы» организмов с анаэробным метаболизмом.

Разложение детрита путем его физического размельчения и биологического воздействия и доведение его сапрофагами до образования гумуса, гумификация, идет относительно быстро. Однако последний этап, минерализация гумуса, -процесс медленный, обусловливающий запаздывание разложения по сравнению с продуцированием.

Кроме биотических факторов в разложении принимают участие и абиотические (пожары, которые можно считать «агентами разложения»). Но если бы мертвые организмы не разлагались гетеротрофными микроорганизмами и сапрофагами, для которых они служат пищей, все питательные вещества оказались бы в мертвых телах и никакая новая жизнь не могла бы возникать.

13 Биологическая продуктивность экосистемы

Прирост биомассы в экосистеме, созданной за единицу вре­мени, называется биологической продукцией (продуктивностью). Различают первичную и вторичную продукцию сообщества.

Первичная продукция - биомасса, созданная за единицу вре­мени продуцентами. Она делится на валовую и чистую. Валовая первичная продукция (общая ассимиляция) - это общая биомасса, созданная растениями в ходе фотосинтеза. Часть ее расходуется на поддержание жизнедеятельности растений - траты на дыхание (40-70 %). Оставшаяся часть составляет чи­стую первичную продукцию (чистая ассимиляция), которая в дальнейшем используется консументами и редуцентами, или накапливается в экосистеме.

Вторичная продукция - биомасса, созданная за единицу времени консументами. Она различна для каждого следующе­го трофического уровня.

Масса организмов определенной группы (продуцентов, консументов, редуцентов) или сообщества в целом называется био­массой. Самой высокой биомассой и продуктивностью обла­дают тропические дождевые леса, самой низкой - пустыни и тундры.

Если в экосистеме скорость прироста растений (образова­ния первичной продукции) выше темпов переработки ее кон­сументами и редуцентами, то это ведет к увеличению биомас­сы продуцентов. Если при этом присутствует недостаточная утилизация продуктов опада в цепях разложения, то происхо­дит накопление мертвого органического вещества. Это проявляется в заторфовывании болот, образовании мощной лесной подстилки и т.д. в стабильных экосистемах биомасса остается постоянной, так как практически вся продукция расходуется в цепях питания.

14 Системный подход и моделирование в экологии

Системный подход — это направление в методологии познания объектов как систем. Система — это множество взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность, единство. Ее состав, структуру и свойства изучают посредством системного анализа, являющегося основой системного подхода и представляющего собой совокуп­ить методологических средств, используемых для решения сложных научных проблем. В эту совокупность средств входит комплекс методов от простых описательных, логических до весьма сложных математических. Технической основой системного анализа являются современные ЭВМ и информационные системы с широким использованием методов математического программирования, теории игр и т.д.

Основными системными принципами являются: целостность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы.

Экосистемы - это весьма сложные самоорганизующие и целенаправленные, со сложной иерархической структурой системы, требующие множественного описания каждой системы, что требует построения множества моделей, т. е. широкого использования методов моделирования при исследовании.

Построение обобщенных моделей, отражающих все факторы и взаимосвязи в системе, является центральной процедурой системного анализа.

Модель – это вспомогательный объект, находящийся в определенном объективном соответствии с познавательным оригиналом и способный замещать его на отдельных этапах познания. Моделирование – это разработка, исследование модели и распространение модельной информации на оригинал.

Модель должно соответствовать двум требованиям:

- она должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания

- она должна быть адекватна оригиналу.

Сам процесс моделирования, по И.Я. Лиепа, можно разделить на четыре этапа: качественный анализ, математическая реализация, верификация и изучение моделей.

Первый этап моделирования – качественный анализ – является основой любого объектного моделирования. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели.

Второй этап моделирования – математическая реализация логической структуры модели. С точки зрения технологии применения можно выделить модели аналитические и численные (компьютерские).

Третий этап моделирования предусматривает верификацию модели: проверку соответствия модели оригиналу. На этом этапе необходимо удостовериться, что выбранная модель отвечает второму требованию: адекватно отражает особенности оригинала.

Четвертый этап моделирования – изучение модели, экспериментирование с моделью и экологическая интерпретация модельной информации. Основная цель этапа – выявление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры и управление поведением моделируемой системы, а также пригодность модели для прогнозирования

15 Состав и границы биосферы

Биосфера (от греч. bios - жизнь и sphaira - шар) - оболоч­ка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельнос­тью живых организмов.

Термин «биосфера» впервые применил Э.Зюсс (1875), по­нимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхно­сти, в значительной мере определяющую «Лик Земли». Одна­ко заслуга создания целостного учения о биосфере принадле­жит В.И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания.

Биосфера имеет определенные границы. Она занимает ниж­нюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидро­сферу. Границы биосферы в большой степени условны.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы: геобиосфера - верхняя часть литосферы, насе­ленная геобионтами; гидробиосфера - гидросфера без подземных вод, населенная гидробионтами; аэробиосфера - нижняя часть атмосферы, населенная аэробионтами.

Геобиосфера состоит из террабиосферы – поверхность суши, и литобиосферы – глубокие слои земной коры. Террабиосфера разделяется на  фитосферу – пространство от поверхности земли до верхушек деревьев и педосферу – почвенный покров.Литобиосфера включает гипотеррабиосферу – слой, где возможна жизнь аэробов.

Гидробиосфера включает маринобиосферу, или океанобиосферу - моря и океаны и аквабиосферу - континентальные, главным образом, пре­сные воды, которая в свою очередь разделяется на лиманоаквабиосферу - стоячие континентальные воды и реоаквабиосферу - проточные континентальные воды. Кроме того, гид­робиосфера делится на слои, связанные, главным образом, с интенсивностью света: фото (био)сферу - относительно ярко освещенный слой (до 150-200 м), дисфото(био)сферу - всегда сумеречный слой - проникает до 1% солнечной инсоляции (от 200 м до 1,5-2 км), афото(био)сферу - слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез (глубже 1,5-2 км).

Аэробиосфера состоит из тропобиосферы - слой от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков (до 5-6 км), постоянно населенный живыми организмами, более тонкий, чем атмо­сферная тропосфера, и стратобиосферы, или альтобиосферы - слой (от 5-6 до 6-7 км), где могут

Выше аэробиосферы расположена парабиосфера — слой (между 6-7 и 60-80 км), куда жизнь проникает лишь случай­но и не часто, где организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться. Еще выше рас­положена апобиосфера, или «надбиосфера» (выше 60-80 км), куда никогда даже случайно не поднимаются живые организ­мы, но в незначительном количестве заносятся биогенные ве­щества (ее верхняя граница трудноуловима).

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встре­чаются даже на глубине более 11 км, где температура воды около 200° С, но из-за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна.

Ниже геобиосферы расположена гипобиосфера («подбиосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере) - слой, куда жизнь проникает лишь случайно и может здесь временно существовать, но не жить и размножаться. Еще ниже залегает метабиосфера - слой биогенных (преобразованных жизнью) пород, котором ныне живые организмы не присутствуют (до 10 - 15 км). Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера») - слои литосферы, не испытывающие сейчас и никогда ранее не подвергавшиеся влиянию живых организмов (глубже 10-15 км).

Кроме того, разделяют такие понятия, как эубиосфера, мегабиосфера и панбиосфера.

16 Классификация природных экосистем биосферы

на ландшафтной основе

В зависимости от природных и климатических условий мож­но выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов). В основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для вод­ных экосистем — гидрологические и физические особеннос­ти.

Наземные экосистемы:

- Тундра: арктическая и альпийская;

- Бореальные хвойные леса;

- Листопадный лес умеренной зоны;

- Степь умеренной зоны;

- Тропические злаковники и саванна;

- Чапарраль (районы с дождливой зимой и засушливым летом);

- Пустыня: травянистая и кустарниковая;

- Полувечнозеленый тропический лес (районы с выражен­ными влажным и сухим сезонами);

- Вечнозеленый тропический дождевой лес.

Пресноводные экосистемы:

- Лентические (стоячие воды): озера, пруды, водохрани­лища и др.;

- Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.;

- Заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

Морские экосистемы:

- Открытый океан (пелагическая экосистема);

- Воды континентального шельфа (прибрежные воды);

- Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктив­ным рыболовством);

- Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и др.);

- Глубоководные рифтовые зоны.

Помимо основных типов природных экосистем (биомов) различают переходные типы — экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

17 Наземные биомы (экосистемы) и пресноводные экосистемы

Размещение по земной поверхности основных наземных биомов определяют два абиотических фактора — температура и количество осадков. Климат в разных районах земного шара неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от 0 до 2500 мм и более. При этом они выпадают равномерно в течение года или их основная доля приходится на определенный период - влажный сезон.. Температуры могут бы практически постоянными в течение всего года или меняться по сезонам.

Тундры (в северном полушарии к северу от тайги). Климат очень холодный с полярным днем и полярной ночью, средне годовая температура ниже 0° С. За несколько недель короткого лета земля оттаивает не более чем на один метр в глубину. Осадков менее 200—300 мм в год. Растительность: отсутствуют деревья, господствуют медленно растущие лишайники, мхи, травы (злаки и осоки), стелющиеся или карликовые кустарнички (брусника, черника) и кустарники (карликовая береза). Животный мир небогат, встречаются крупные травоядные копытные — северный олень (Евразия) и карибу (Северная Америка), мелкие роющие млекопитающие (лемминги), хищники (песец, горностай, ласка). Среди птиц преобладают полярная сова, ржанка, пуночка. Среди насекомых обильны двукрылые. Почвы тундровые — бедные с малой мощностью над слоем вечной мерзлоты. Очень ранимые экосистемы из-за медленного их восстановления.

По типу местообитания и образу жизни водные организмы объединяются в следующие экологические группы. Планктон — организмы, в основном пассивно перемещающиеся за счет те­чения. Различают фитопланктон (одноклеточные водоросли) и зоопланктон (одноклеточные животные, рачки, медузы и др.). Нектон — активно передвигающиеся в воде животные (рыбы, амфибии, головоногие моллюски, черепахи, ластоногие, ки­тообразные и др.). Бентос — организмы, живущие на дне и в грунте. Его делят на фитобентос (прикрепленные водоросли высшие растения) и зообентос (ракообразные, моллюски, морские звезды и др.). Кроме того в ряде случаев выделяют перифитон и нейстон.

Перифитон — организмы, прикрепленные к листьям и стеблям водных растений или другим выступам над дном водоем

Нейстон — организмы, обитающие у поверхности воды (личинки комаров, водомерки, ряска и др.).

В проточных водоемах выделяют перекаты (мелководные участки с быстрым течением: дно без ила, встречаются преимущественно прикрепленные формы перифитона и бентос и плесы (глубоководные участки: течение медленное, на дне  мягкий илистый субстрат и роющие животные).

Лентические экосистемы (озера, пруды, водохранилища и др.) Литоральная зона населена двумя группами растений: укрепившиеся в дне (камыши, рогозы, кувшинки и др.) и плавающие (водоросли, рдесты и др.). Животные в литорали более разнообразны, чем в других зонах водоема. Встречаются моллюски, коловратки, мшанки, личинки насекомых и др. Рыбы большую часть жизни проводят в литорали и здесь же размножаются. Многие обитающие здесь животные дышат кислородом атмосферного воздуха (лягушки, саламандры, черепахи и др.). Зоопланктон представлен ракообразными, имеющими большое значение для питания рыб (дафнии и др.). Лимническая зона. Продуценты представлены фитопланктоном. В водоёмах умеренного пояса «цветение» весной связано с массовым развитием диатомовых, летом зеленых, осенью - азотфиксирующих сине-зеленых водорослей. Зоопланктон представлен растительноядными ракообразными и коловратками. Нектон лимнической зоны -только рыбы. Профундальная зона около дна представлена бентосными формами - личинками насекомых, моллюсками, кольча­тыми червями, сапротрофными бактериями и грибами.

18 Морские экосистемы. Целостность биосферы как глобальной экосистемы

Распределение организмов в водных экосистемах зависит от степени освещенности. Выделяются следующие зоны: литоральная зона (толща воды, где солнечный свет доходит до дна), лимническая зона (толща воды до глубины, куда проникает всего 1% от солнечного света и где затухает фотосинтез), эвфотическая зона (вся освещенная толща воды - включает литоральную и лимническую зоны), профундальная зона (дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет).

Открытый океан беден биогенными элементами. Эти районы можно считать «пустынями» по сравнению с прибрежными водами. Арктические и антарктические зоны более продуктивны, так как плотность планктона растет при переходе от теплых морей к холодным, и фауна рыб и  китообразных здесь значительно богаче. Продуцентом выступает фитопланктон, им питается зоопланктон, а тем в свою очередь нектон. Видовое разнообразие фауны снижается с глубиной. На глубине в стабильных местообитаниях сохранились виды из далеких геологических эпох.

Глубоководные рифтовые зоны океана находятся около 3000 м и более. Условия жизни в экосистемах глубоководных рифтовых зон очень своеобразны. Это полная темнота, огромное давление, пониженная температура воды, недостаток пищевых ресурсов, высокая концентрация сероводорода и ядовитых металлов, встречаются выходы горячих подземных вод, и т. д. В результате живущие здесь организмы претерпели следующие адаптации: редукция плавательного пузыря у рыб или заполнение его полости жировой тканью, атрофирование органов зрения, развитие органов светосвечения и др. Живые организмы представлены гигантскими червями (погонофорами), крупными двустворчатыми моллюсками, креветками, крабами и отдельными видами рыб. Продуцентами выступают сероводородные бактерии, в симбиозе с моллюсками.

19 Основные направления эволюции биосферы

Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биологическая регуляция окружающей среды - закономерный результат эволюции биосферы.

Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготавливала возникновение жизни, и собственно биологической эволюции. Согласно сложившимся представлениям последовательность основных этапов такова:

Добиогическая эволюция:

1.   Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, окись углерода, формальдегид и другие простые соединения.

2.   Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул.

3.   Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, азота, водорода, кислорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений.

4.   Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, - зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.

Биотическая эволюция:

5.   Возникновение жизни (около 3,5 миллиардов лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению, - сперва хемоавтотрофных прокариот, затем - эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живого вещества.

6.   Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.

7.   Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.

8.   Появление человека - лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.

20 Человек как биологический вид.

Популяционная характеристика человека.

Человек является биосоциальным существом и в то же самое время - представителем биологического вида Человек разумный (Homo sapiens), принадлежащего к царству животных, типу хордовых, классу млекопитающих, подклассу плацентарных, отряду приматов, семейству гоминид. Другие семейства, входящие в отряд приматов, - это понгиды - крупные человекообразные обезьяны (орангутаны, шимпанзе, гориллы) и хилобатиды — малые человекообразные обезьяны (гиббоны).

Характерной чертой, отличающей человека от животного, является прежде всего речь, способность к которой определяется развитием мозга, а также артикуляционного аппарата.

Речь в свою очередь является средством коммуникации, планирования совместных действий и, что очень важно, концептуального мышления. Второе важнейшее отличие, связанное с первым, - это наличие крупного, сложного, хорошо развитого мозга, в котором увеличено (по сравнению с животными) не только количество нейронов, но главным образом межнейронных связей, т. е. усложнена организация всего мозга и прежде всего коры его больших полушарий.

Развитие мозга и руки дало возможность применять орудия труда. В свою очередь все эти изменения связаны со способностью к прямохождению и соответствующему изменению скелета и пропорций тела человека.. Люди способны к планированию своих действий, словесной передаче опыта, к осознанию таких понятий, как совесть, вера, красота. Появление человека в биосфере было предопределено около 4,0 млн лет назад, когда произошло отделение эволюционной ветви предков человека. Первые люди существовали под властью природы и в ее составе. Экологическая ниша этого вида определялась, прежде всего, его положением в трофических цепях. По своему положению в них человек является консументом (как и всякое животное он - гетеротроф, а по типу своего питания - полифаг, т. е. способен питаться пищей разного рода).

Современный человек расширил границы местообитания: расселился во всех широтах, освоил глубины океана и космическое пространство. Однако за пределами первоначального ареала он может выжить не благодаря физиологической адаптации, а с помощью специальных защитных устройств и приспособлений (отапливаемые жилища, одежда, кислородные приборы и т. д.).

Биологи выделяют несколько подвидов человека - расы: европеоидная, австрало-негроидная, монголоидная и американоидная (американские индейцы).

Ряд исследователей разделяют австрало-негроидную расу на две: австралийскую и негроидную. Каждая из рас представляет собой морфофизиологический (структурно-функциональный) тип человека. Расы человека характеризуются определенным телосложением, биохимической конституцией (т. е. гормональным статусом, уровнем артериального давления, активностью ферментов), предрасположенностью или устойчивостью к определенным болезням, преобладанием некоторых психологических черт. Психофизиологический тип человека иногда называют конституцией. В каждой расе существует несколько типов конституций, при этом частота их встречаемости в известной мере связана с экологическими условиями проживания конкретной расы.

21 Человек и экосистемы

Человек в конкурентной борьбе за выживание в природной окружающей среде начал строить свои искусственные антропо­генные экосистемы. Примерно десять тысяч лет назад он пере­стал быть «рядовым» консументом, собирающим дары приро­ды, и начал эти «дары» получать сам, посредством своей тру­довой деятельности, создав сельское хозяйство - растениевод­ство и животноводство. Освоив сельскохозяйственную модель, человек исторически подошел к промышленной революции, ко­торая началась всего 200 лет назад, и до современного ком­плексного взаимодействия с окружающей средой по искусст­венной модели. На современном этапе он для удов­летворения своих все возрастающих потребностей вынужден изменять природные экосистемы и даже разрушать их, может, и не желая этого.

Энергия - это изначальная движущая сила экосистем, при­чем всех — и природных и антропогенных. Энергетические ре­сурсы этих систем могут быть неисчерпаемы - солнце, ветер, приливы и исчерпаемы - топливно-энергетическими (уголь, нефть, газ и т. п).

Опираясь на эти энергетические особенности существующих систем, Ю.Одум предложил их классификацию, приняв энергию за основу, и выделил «четыре фундаментальных типа экосистем:

1. Природные: движимые Солнцем, несубсидируемые.

2.Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками.

3.Движимые Солнцем и субсидируемые человеком.

4.Индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным)

В целом же, нетрудно догадаться, что, по мере роста наро­донаселения, люди будут вынуждены преобразовывать все но­вые зрелые (климаксные) экосистемы в простые молодые про­дуктивные (например, путем уничтожения тропических лесов, осушения болот и т. п.). На поддержание этих систем в «молодом» возрасте увеличится использование топливно-энергетиче­ских ресурсов. Кроме того, произойдет утрата видового (генети­ческого) разнообразия и природных ландшафтов.

22 Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы)

Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая - чистой продукции автотрофов.

Основные отличия агроэкосистем от природных:

- В них резко снижено разнообразие видов: снижение видов культивируемых растений снижает и видовое разно­образие животного населения биоценоза; видовое разнооб­разие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным; культурные пастбища (с подсевом трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйст­венные поля.

- Виды растений и животных, культивируемых челове­ком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и не­конкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддерж­ки человека.

- Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.

- Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное ее ис­пользование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи, всячески пресекаются человеком.

- Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и дру­гих агроценозов - это упрощенные системы, поддерживае­мые человеком на ранних стадиях сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как и природ­ные пионерные сообщества, поэтому они не могут сущест­вовать без поддержки человека.

Упрощение природного окружения человека, с экологиче­ских позиций, очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умно­жать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные уча­стки, которые могли бы быть источником видов для восста­навливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

23 Индустриально-городские экосистемы

Урбанизация - это рост и развитие городов, увеличение доли городского населения в стране за счет сельской местно­сти, процесс повышения роли городов в развитии общества. Рост численности населения и его плотности - характерная чер­та городов.

Человек сам создает эти сложные урбанистические систе­мы, преследуя благую цель - улучшить условия жизни, и не только просто «оградившись» от лимитирующих факторов, но и создав для себя новую искусственную среду, повышающую комфортность жизни. Однако это ведет к отрыву человека от естественной природной обстановки и к нарушению природ­ных экосистем

Урбанистическая система (урбосистема) — «неустойчи­вая природно-антропогенная система, состоящая из архитектур­но-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем»

По мере развития города в нем все более дифференцируют­ся его функциональные зоны — это промышленная, селитеб­ная, лесопарковая.

Промышленные зоны — это территории сосредоточения промышленных объектов различных отраслей (ме­таллургической, химической, машиностроительной, электрон­ной и др.). Они являются основными источниками загрязне­ния окружающей среды.

Селитебные зоны — это территории сосредоточения жи­лых домов, административных зданий, объектов культуры, про­свещения и т. п.

Лесопарковая — это зеленая зона вокруг города, окульту­ренная человеком, т.е. приспособленная для массового отды­ха, спорта, развлечения. Возможны ее участки и внутри горо­дов, но обычно здесь городские парки — древесные насажде­ния в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естест­венных лесов и даже лесопарков, городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не явля­ются самоподдерживающимися и саморегулируемыми систе­мами.

Таким образом, существование урбосистем зависит от энергии горючих ископаемых и атомноэнергетического сырья, искусственно регулируется и поддерживается человеком.

24 Влияние природно-экологических факторов на здоровье человека

Изначально Homo sapiens жил в окружающей природной среде, как и все консументы экосистемы, и был практически незащищен от действия её лимитирующих экологических факторов. Первобытный человек был подвержен тем же факторам регуляции и саморегуляции экосистемы, что и весь животный мир, продолжительность его жизни была небольшой, и весьма низкой была плотность популяции. Главным из ограничивающих факторов были гипердинамия и недоедание. Среди причин смертности на первом месте стояли патогенные (вызывающие болезни) воздействия  природного характера. Особое значение среди них имели инфекционные болезни, отличающиеся природной очаговостью. Человек может заразиться от диких животных. К таким животным обычно относятся грызуны, птицы, насекомые и др. Все эти животные входят в состав биоценоза экосистемы, связанного с определенным биотоком отсюда природные очаговые болезни тесно связанны с определенной территорией, с тем или иным типом ландшафта, а значит с климатическими его особенностями.

Природно-очаговые болезни являлись основной причиной гибели людей вплоть до начала XX в. Наиболее страшной из таких болезней была чума (острое инфекционное заболевание человека и животных, относится к карантийным болезням). Заболевания, связанные с окружающей человека природной средой, существуют и в настоящее время, хотя с ними ведется постоянная борьба. Их существование объясняется причинами сугубо экологической природы, резистентностью (выработкой сопротивления к различным факторам воздействия) носителей возбудителей и самих возбудителей болезней. Характерным примером этих процессов является борьба с малярией. Малярия – заболевание, вызываемое заражением паразитами, передаваемое укусом зараженного малярийного комара. Это заболевание  - экологическая и социально-экономическая проблема.

25 Влияние социально-экологических факторов на здоровье человека

Природная среда сейчас сохранилась лишь там, где она не была доступна людям для её преобразования. Урбанизированная или городская среда – искусственный мир, созданный человеком, не имеющий аналогов в природе и способный существовать только при постоянном обновлении.

Социальная среда сложно интегрируется с любой окружающей человека средой и все факторы каждой из сред «тесно взаимосвязаны между собой и испытывают объективные и субъективные стороны качества среды жизни».

Влияние городской среды достаточно ярко подчеркивается определенными тенденциями современного состояния здоровья человека. С медико-биологических позиций наибольшее влияние экологические факторы городской среды оказывают на следующие тенденции:

1.   процесс акселерации,

2.   нарушение биоритмов,

3.   аллергизация населения,

4.   рост онкологической заболеваемости и смертности

5.   рост доли лиц с избыточным весом

6.   отставание физиологического возраста от календарного

7.   «омоложение» многих форм паталогии

8.   абиологическая тенденция в организации жизни и др.

Акселерация – это ускорение развития отдельных органов или частей организма по сравнению с некой биологической нормой. Ученые полагают, что это эволюционный переход в жизни вида, вызванный улучшающимися условиями жизни.

Биологические ритмы – важнейший механизм регуляции функций биологических систем, сформировавшийся под воздействием абиотических факторов, в условиях городской жизни могут нарушаться. Новым экологическим фактором стало использование электроосвещения, продлившее световой день.

Аллергизация населения – одна из основных новых черт в измененной структуре патологии людей в городской среде.

Аллергия – извращенная чувствительность или реактивность организма к тому или иному веществу, так называемому аллергену (простые и сложные минеральные и органические вещества). Причина аллергических заболеваний (бронхиальная астма, крапивница, лекарственная аллергия, ревматизм, волчанка красная) – в нарушении иммунной системы человека, которая в результате эволюции находилась в равновесии с природной средой. Городская же среда характеризуется появлением совершенно новых веществ – загрязнителей, давление которых ранее иммунная система человека не испытывала.

Онкологическая заболеваемость и смертность -  одна из наиболее показательных медицинских тенденций неблагополучия в данном городе или, например, в зараженной радиацией сельской местности. Эти заболевания вызваны опухолями. Они могут быть доброкачественными и злокачественными.

Рост доли лиц с избыточным весом – также явление, вызванное особенностями городской среды. Переедание, малая физическая активность.

Рождение на свет большого количества недоношенных детей, а значит физически незрелых – показатель крайне неблагоприятного состояния обитания человека. Оно связано с нарушениями в генетическом аппарате и просто с ростом адаптируемости к изменениям среды. Физиологическая незрелость является результатом резкого дисбаланса со средой, которая слишком стремительно трансформируется.

Инфекционные болезни тоже неискоренены в городах. Количество людей, пораженных малярией, гепатитом и многими другими болезнями, исчисляется огромными цифрами.

Абиологические тенденции, под которыми понимаются такие черты образа жизни человека, как гиподинамия, курение, наркомания и др. тоже являются причиной многих заболеваний – ожирение, рак, кардиологические болезни и др.

Сохранение здоровья или возникновение болезни это результат сложных взаимодействий внутренних биосистем организма и внешних факторов окружающей среды.

Больше работ по теме: