Раздел 1. Предмет и задачи экологии
Понятие «природа» определяется как окружающий нас материально-энергетический и информационный мир Вселенной, совокупность условий существования человеческого общества. Отсюда следует, что к природе относятся все живые организмы, обитающие на Земле и все неживые компоненты окружающей среды.
Что такое экология?
Экология – наука, изучающая закономерности существования, формирования и функционирования биологических систем от простейших организмов до биосферы и их взаимодействия с окружающей средой.
1.1. Краткая история экологии, как науки
Слово «экология» в переводе с греческого означает («oikos» - дом, жилище и logos – наука) в дословном переводе означает «домашнее хозяйство». Заметим, что древние греки под термином «oikos» (экос) понимали любое место пребывания человека на местности, более точно родину. Термин «экология» был введен в науку немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1866 году.
Появившись на планете, человек на всех стадиях развития влиял на среду обитания. Вначале локально, создавая первые города и развивая хозяйственную деятельность, а затем глобально за счет демографического взрыва и технической революции. В настоящее время деятельность человечества сравнима с природными явлениями, что чревато в лучшем случае экологическому кризису, в худшем – экологической катастрофе.
Первые представления о биосфере как области жизни и оболочке Земли даны французским ученым Ж.-Б. Ламарком (1744 -1829). Определение биосферы и само ее название были предложены в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. В России заслуга в формировании основных положений экологии и экологического мировоззрения в первую очередь принадлежит проф. Московского университета Карлу Францевичу Рулье (1814 - 1858) и академику Владимиру Ивановичу Вернадскому (1863–1945). В 1935 г. английский биолог Артур Джорж Тенсли ввел основное понятие экологии – экосистема. В 1942 г. академик предложил понятие «биогеоценоз» и заложил основы биогеоценологии. Известный американский ученый Ю. Одум в 1953 г. написал один из лучших современных учебников по экологии. А наш современник, русский ученый систематизировал в 1994 г. понятия современной «большой экологии».
Современная экология является фундаментальной комплексной наукой, которая подразделяется на:
- общую экологию (теоретическая экология, математическая экология, моделирование экологических систем и процессов, экспериментальная экология);
- биоэкологию (экология организмов, экология естественных биосистем, эволюционная экология, учение о биосфере);
- геоэкологию (экология геосфер и частей природной среды обитания организмов, экология природных зон и биомов, климатология, экология регионов, стран, континентов);
- экологию человека (биоэкология человека, социальная экология – личности, семьи, социальных групп и др., экология человечества);
- прикладную экологию (инженерная, сельскохозяйственная, промысловая, коммунальная, медицинская экология, экологическая экономика природопользования)
- экологию права и др.
В настоящее время экологию часто понимают в узком смысле как комплексную науку об охране и рациональном использовании природы.
Дадим основные понятия, используемые в экологии.
Популяция – совокупность особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и населяющих общую территорию (популяции различных птиц, рыб, животных).
Сообщество – совокупность взаимосвязанных особей, взаимосвязанных видов в пределах какого-либо пространства. Сообщество может состоять из продуцентов, консументов и редуцентов.
Продуценты – производители органического (живого) вещества в любой экосистеме, например, растения.
Консументы – потребители органического вещества живых организмов. К ним относятся:
- растительноядные животные (фитофаги) - лошадь, овца и др.;
- плотоядные животные (зоофаги) - волк, лисица и др.;
- паразиты (живущие за счет веществ организма хозяина) – апесторхи и др.;
- симбиотрофы (бактерии, грибы, простейшие), питающиеся соками и выделениями организма хозяина.
Детритофаги – организмы, питающиеся остатками растений и животных (мертвыми органическими веществами). К этим организмам относятся гнилостные бактерии, личинки насекомых, грибы, черви. Они участвуют в образовании почвы, донных отложений водоема и др.
Редуценты - это бактерии и низшие грибы. Они завершают деструктивную работу консументов и детритофагов, доводя разложения органики до полной минерализации, возвращая в среду экосистемы неорганические вещества.
Автотроиды – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ (углекислый газ (СО2) и вода (Н2О)) в процессах «фотосинтеза» (растения) и «хемосинтеза» (бактерии). В первом случае источником служит солнечная энергия, во втором, энергия окисления водорода, серы, сероводорода, аммиака и железа.
Организмы, которые потребляют это, уже готовое, органическое вещество и другие продукты их жизнедеятельности, называются гетеротрофы.
Адаптация - эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей (биол.); совокупность реакций экосистемы, поддерживающих её функциональную устойчивость при изменении условий среды.
Экосистема – это система, состоящая из живых и неживых элементов природной среды, между которыми происходит обмен веществом, энергией и информацией (по А. Тенсли). По-другому, – это любое сообщество любых существ вместе с их средой обитания, функционирующее как единое целое.
Биосфера – это глобальная экосистема, поддерживающая планетарный круговорот веществ. По-другому, это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества.
Биоценоз – совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с относительно однородными условиями жизни.
Биота – совокупность живых организмов, объединенных общей областью распространения. В отличие от биоценоза между организмами биоты может не быть экологических взаимосвязей.
Биотоп – относительно однородное по абиотическим факторам среды (воздух, вода, почва) пространство, занятое биоценозом. Это место обитания биоценоза.
Биогеоценоз – элемент биосферы, где на известном протяжении биоценоз и отвечающий ему биотоп (части атмосферы, литосферы и гидросферы) остаются однородными и тесно связанными между собой в единый комплекс.
Биогеоценоз является элементарной экологической системой, включающей две составляющие:
· абиотическую (литосферу, гидросферу, атмосферу),
· биотическую (фитоценоз - растения, зооценоз - животные, микробоценоз - микроорганизмы).
Абиотические факторы в экосистемах - факторы, включающие радиацию (космическая, солнечная) с её вековой, годовой и суточной цикличностью; зональные, высотные и глубинные факторы распределения тепла и света с градиентами и закономерностями циркуляции воздушных масс; факторы литосферы с её рельефом, различным минеральным составом и гранулометрией, тепло - и влагоёмкостыо; факторы гидросферы с градиентами её состава, закономерностями водо-и газообмена.
Окружающая среда – это природная и техногенная среды окружающие человека.
Антропогенные факторы - влияние деятельности человека на окружающую среду; изменение состава и режима атмосферы, рек, океанов, а также почв при загрязнении продуктами технологии и радиоактивными веществами; нарушение состава и структуры экосистем.
Природная среда включает 4 основные макросистемы (геосферы): атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу.
Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая включает газы вблизи земной поверхности, растворенные в воде и находящиеся в почве.
Гидросфера – это водная оболочка Земли, которая включает океаны, моря, реки, озера, болота, ледники и подземные воды.
Литосфера – это твердая оболочка Земли, которая включает земную кору вместе с почвенным слоем, подкорковую часть верхней мантии и подстилающую часть астеносферы.
Техногенная среда включает города, промышленные зоны, инженерные сети и коммуникации, транспортные системы и вообще любые искусственные сооружения.
1.2. Задачи экологии
Основными задачи экологии как науки являются:
- исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенными воздействиями на природные системы и биосферу в целом;
- создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов;
- прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека и управления процессами, протекающими в биосфере, и сохранение среды обитания человека;
- регуляция численности популяций;
- разработка системы мероприятий, обеспечивающих минимум применения химических средств борьбы с вредными видами;
- восстановление нарушенных природных систем, в том числе рекультивация выведенных из использования сельскохозяйственных угодий, восстановление пастбищ, продуктивности водоемов;
- оптимизация технологических, инженерных проектно-конструкторских решений с целью минимизации ущерба окружающей среде;
- своевременное выявление и корректировка технологических процессов, отрицательно влияющих на здоровье человека и состояние природной среды ;
- прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий антропогенного влияния, связанного с работой различных предприятий на окружающую среду и др;
1.3. Объекты и методы экологии
Объектами исследования в экологии являются отдельные организмы, популяции и сообщества живых организмов разных видов (в первую очередь человек и человеческое общество), которые обмениваются материей, энергией и информацией с окружающей средой, т. е. природные и антропогенные экосистемы.
Методы изучения – традиционные для науки вообще:
1. Наблюдение и сравнение.
2.Научные эксперименты в естественных и лабораторных условиях.
3.Моделирование (математическое и физическое).
Различают следующие типы математических моделей: динамические, стохастические, оптимизационные и игровые.
Система экспериментальных исследований окружающей среды включает в себя: методы мониторинга биологических объектов; воздушной среды и водных объектов; загрязнения продуктов питания; шумового, электромагнитного и радиационного загрязнения и др.
Один из основных методов изучения в экологии – системный анализ. В границах этого метода: выявляется состав соответствующей экосистемы; определяются внутренние связи между составными элементами экосистемы; устанавливаются связи изучаемой экосистемы с внешним окружением, т. е. системой более высокого уровня.
1.4 Экологические концепции
1. Концепция детерминизма.
Рассматривает природную среду как главную определяющую силу развития человеческого общества.
2. Концепция внутреннего динамического развития экосистем.
Суть в том, что энергия, информация и динамические качества отдельных экосистем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение вызывает функционально-структурные, количественные и качественные изменения при сохранении общей суммы вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств системы.
3. Концепция устойчивости.
Позволяет оценить способности экосистем, сохранять свою структуру и функциональные качества при воздействии на нее каких-либо факторов (прежде всего, антропогенных).
В настоящее время концепция устойчивости принята большинством индустриально развитых государств, в том числе и Россией (1996 г.).
4. Концепция лимитированности природно-ресурсного потенциала.
Однозначно, что все природные ресурсы и условия на Земле конечны.
5. Концепция экологической ниши.
Включает совокупность характеристик (пространственных и функциональных), раскрывающих положение вида в экосистеме. Эта концепция одна из наиболее важных в экологии.
6. Концепция экологического разнообразия.
Чем сложнее экосистема, тем больше видовое разнообразие.
7. Концепция естественного отбора.
Отбор видов обусловлен влиянием изменений факторов окружающей природной среды.
1.5 Экологические законы
По определению - закон есть выражение существенной, необходимой, стабильно повторяющейся связи между явлениями.
Наиболее характерные для экологических явлений следующие законы:
- закон «физико-химического единства»:
все живое вещество планеты едино с точки зрения своей физико-химической сути (например, что токсично для одного вида, токсично и для всех других видов);
- закон «биогенной миграции атомов»:
миграция химических элементов – это функция живого вещества;
- закон «бережливости»:
атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, с трудом возвращаются или не возвращаются в неживую (косную) материю биосферы. Этот закон – основа круговорота веществ;
- закон «константности»:
количество живого вещества биосферы для единого геологического периода есть постоянная величина;
- закон «максимизации энергии»:
в конкурентной борьбе, с другими экосистемами выживает та из них, в которую наилучшим образом поступает энергия и используется максимально эффективно. А наиболее эффективно используют энергию те системы, которые ее накапливают;
- закон «пирамиды энергии»:
с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой уровень в среднем не более 10% энергии;
- закон «развития природных систем за счет окружающей среды»:
любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Отсюда следует, что на Земле безотходное производство невозможно, а любая более высоко организованная биологическая система через использование и видоизменение среды жизни представляет потенциальную или реальную угрозу для низкоорганизованной системы, т. е. повторное зарождение новой жизни невозможно;
- закон «снижения энергетической эффективности природопользования»:
по мере течения исторического времени для получения от природы полезной продукции затрачивается все больше энергии на единицу продукции;
- закон «оптимальности»:
самое эффективное функционирование любой системы возможно только в определенном пространственно-временном диапазоне. Никакая природная система не может расширяться без ущерба для ее организации и функционирования;
- закон «необратимости эволюции»:
организм, отдельная популяция, вид, не могут вернуться к прежнему состоянию, существующему в ряду его предков. Этот закон действителен не только для живых организмов, но и в отношении экологических систем;
- закон «минимума»:
жизнеспособность, выносливость организмов определяется экологическими факторами, их количеством и качеством, уменьшение которых ниже определенного минимума ведет к гибели организмов и разрушению экологической пирамиды;
- закон «толерантности»:
ограничивающим фактором нормальной жизнедеятельности организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия;
- закон «возврата»:
питательные вещества, изъятые из окружающей среды вместе с собранным урожаем, должны быть возвращены в нее;
- закон «убывающего плодородия»:
в связи с постоянным изъятием питательных веществ вместе с собираемым урожаем, эрозией почвы, заболачиванием на культивируемых землях происходит постоянное снижение плодородия;
- закон «растущей урожайности».
агротехнические и другие прогрессивные приемы ведения сельского хозяйства ведут к увеличению урожайности земель. Этот закон противоположен закону плодородия;
- закон «незаменимости факторов роста и развития»:
ни один из факторов, влияющих на рост и развитие живого организма, не может быть заменен никаким другим фактором (например, свет не может заменить влагу или температуру, кислород);
- закон «ускорения эволюции»:
более организованные формы существуют меньшее время, чем низкоорганизованные. Это вызывает катастрофический толчок, когда эволюция резко убыстряется.
1.6 Экологические законы в виде «афоризмов» (законы Б. Коммонера):
1) все связано со всем.
Закон обращает внимание на связь процессов в природе;
2) все должно куда-то деваться.
Закон близок по смыслу закону «внутреннего динамического равновесия» и закону «развития природной системы за счет окружающей ее среды»;
3) природа «знает» лучше.
Закон говорит о том, что человечество не имеет абсолютно достоверную и полную информацию о механизмах и функциях природы;
4) ничто не дается даром. Из этого закона вытекает, что глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого не может быть что-то выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения, т. е. все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено.
Любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, что ведет к образованию новых природных систем.
Во-первых, это предельные способности земной природы к самоочищению и саморегуляции. До определенного времени земная природа перерабатывает, очищает отходы человеческого производства, как бы защищая себя от их вредного воздействия. Но возможности ее ограничены. Емкость природной среды не позволяет перерабатывать все возрастающие масштабы отходов хозяйственной деятельности человека, и их накопление создает угрозу глобального загрязнения окружающей среды.
Во-вторых, физическая ограниченность земельной территории рамками одной планеты. Вследствие этого запасы полезных ископаемых — каменного угля, нефти, газа и других, которые используются человеком, постепенно расходуются и перестают существовать. Перед человечеством стоят новые, более грандиозные задачи по изысканию альтернативных источников энергии.
В-третьих, безотходность производства в природе и отходность человеческого производства. В природе производство осуществляется по замкнутому циклу. Оно безотходно. Конечный же продукт производственной деятельности становится исходным для нового производственного цикла. В отличие от природного, человеческое производство в своей массе и своей основе является отходным. Иначе говоря, конечный продукт производства не является и не становится исходным для следующего цикла, а идет в отходы. Подсчитано, что для жизнедеятельности человека необходимо в год расходовать не менее 20 т природных ресурсов. Из них лишь 5 - 10 % идут на продукцию, а 90 - 95 % поступают в отходы. Из-за высокой отходности производственной деятельности людей создается загрязнение окружающей среды вредными, не свойственными для природы веществами, что ведет к преждевременному истощению природной среды и в конечном счете к разрушению экологических систем природы.
В-четвертых, познание и использование человеком законов развития природы. Дело в том, что законы развития природы, определяющие последствия человеческой деятельности, человек вынужден познать не умозрительно и не путем лабораторных анализов, а в процессе использования природы, путем накопления опыта ведения хозяйства. Здесь следует назвать две особенности проявления результатов воздействия человека на природную среду. Первая касается влияния во времени. Результаты производственно-хозяйственной деятельности, загрязнение окружающей среды, разрушение ее экологических связей проявляются не только в настоящем, при жизни данного поколения, но и в будущем, при жизни других поколений, где человек не может быть свидетелем пагубных последствий его господства над природой. Вторая особенность относится к проявлению последствий хозяйственной деятельности в пространстве. Воздействие, оказываемое хозяйствованием на природу в определенном месте, в определенной точке, благодаря действующим законам единства и взаимосвязи природной среды оказывает свое влияние на другие регионы, отдаленные от точки воздействия человека на окружающую среду. Подобное своеобразие способно создавать ложное представление о безвредной той или иной хозяйственной деятельности, об отсутствии непосредственно вредных, точнее, отрицательных симптомов экономической деятельности.
Именно через свой печальный опыт хозяйствования в природе человечество познает пагубные последствия своей деятельности. Человечество узнает, что уничтожение лесов ведет к исчезновению почвенного покрова, лишает его необходимых для сельского хозяйства почвенных угодий, к обмелению, а в последующем и к исчезновению рек, водоемов, к уменьшению кислородного запаса планеты и лишению окружающей среды других средозащитных функций, которые выполняют леса.
Вторую группу составляют субъективные причины. Среди них необходимо отметить, главную - недостатки организационно-правовой и экономической деятельности государства по охране окружающей среды, отсутствие экологической грамотности населения.
