Среда обитания и экологические факторы

Предмет,структура и задачи экологии

Экология - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

Термин «экология» (от греч. oikos - дом, logos - наука) предложил в 1866 г. немецкий зоолог Э.Геккель.

Почему каждому человеку, в том числе и инженерно-техническим работникам, необходима экологическая культура и экологическое образование? В настоящее время остановить нарушение экологических законов можно, только подняв на должную высоту экологическую культуру каждого члена общества, а это возможно сделать прежде всего через образование, через изучение основ экологии. Что особенно важно для специалистов в области наук технического направления, в первую очередь для инженеров-строителей, инженеров в области химии, нефтехимии, металлургии, машиностроения, пищевой и добывающей промышленности и т. д.

Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки.

Предмет экологии

Современная экология - комплексная дисциплина, которая объединяет основы нескольких наук (биологии, химии, физики, социологии, географии, геологии и др.).

Основной объект изучения в экологии – экосистемы - единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Экология также изучает отдельные виды организмов (организменный уровень), популяции (популяционно-видовой уровень) и биосферу в целом (биосферный уровень).

Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки является общая экология, или биоэкология, которая изучает взаимоотношения живых систем разных рангов (организмов, популяций, экосистем) со средой и между собой.

Структура

В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

• аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой;
• демэкологию или экологию популяций, изучающую структуру и динамику популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;
• синэкологию, т.е.экологию сообществ;
• экосистемную экологию;
• биосферную экологию.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования,т.е. различают экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов.

На стыке экологии с другими отраслями знаний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология и т.д.

С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология раскрывает общие закономерности организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Задачи

Задачи экологии весьма многообразны.

В теоретическом плане к ним относятся:

• разработка общей теории устойчивости экологических систем,
• изучение экологических механизмов адаптации к среде,
• исследование регуляции численности популяций,
• изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;
• исследование продукционных процессов,
• исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости,
• моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие:

• прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека,
• улучшение качества окружающей природной среды,
• сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов,
• оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего.

Среда обитания и экологические факторы

Среда обитания организма — это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям.

Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Биологи еще часто выделяют четвертую среду жизни - сами живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами.

Воздействие среды воспринимается организмами через посредство факторов среды, называемых экологическими.

Экологические факторы — это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические.

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

Химические факторы — это те факторы, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды если высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое 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.

Эдафические факторы, т е. почвенные, — это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них, т.е. те, для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известно влияние химических компонентов (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т.п. на рост и развитие растений.

Однако не только абиотические факторы влияют на организмы. Организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, за обладание определенными пастбищами или территорией охоты, т.е. вступать в конкурентную борьбу между собой. При этом проявляются хищничество, паразитизм и другие сложные взаимоотношения как на внутривидовом, так и, особенно, на межвидовом уровнях. Это уже факторы живой природы, или биотические факторы.

Биотические факторы — совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания. В последнем случае речь идет о способности самих организмов в определенной степени влиять на условия обитания. Например, в лесу под влиянием растительного покрова создается особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создается свой температурно - влажностной режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом — прохладнее и влажнее. Особая микросреда создается также в дуплах деревьев, в норах, в пещерах и т.п.

К биотическим факторам относятся внутривидовая конкуренция и межвидовые взаимоотношения.

Внутривидовая конкуренция – борьба за одни и те же ресурсы, происходящая между особями одного и того же вида. Это важный фактор саморегуляции популяций.

Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны. Два живущие рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно. Возможные типы комбинаций и отражают различные виды взаимоотношений:

• нейтрализм — оба вида независимы и не оказывают никакого действия друг на друга (белки и лоси; обезьяны и слоны);
• конкуренция — каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие;
• мутуализм (симбиоз) — виды не могут существовать друг без друга (бобовые растения и бактерии, фиксирующие азот);
• протокооперация (содружество) — оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу (опыление пчелами луговых растений);
• комменсализм — один вид, комменсал, извлекает пользу от сожительства, а другой вид — хозяин не имеет никакой выгоды, т.е. взаимная терпимость (гиены, подбирающие остатки добычи львов; мальки рыб, прячущиеся под зонтиками медуз);
• аменсализм — один вид, аменсал, испытывает от другого угнетение роста и размножения (светолюбивые травы под елью);
• паразитизм — паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызвать его гибель (аскариды, вши - пример постоянных паразитов; слепни, блохи-пример временных паразитов);
• хищничество— хищный вид питается своей жертвой (львы и зебры). Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических сообществ (биоценозов).

Антропогенные факторы — факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т.д.).

Среди абиотических факторов довольно часто выделяют климатические (температура, влажность воздуха, ветер и др.) и гидрографические — факторы водной среды (вода, течение, соленость и др.).

Большинство факторов качественно и количественно изменяются во времени. Например, климатические — в течение суток, сезона, по годам (температура, освещенность и др.).

Факторы, изменения которых во времени повторяются регулярно, называют периодическими. К ним относятся не только климатические, но и некоторые гидрографические — приливы и отливы, некоторые океанские течения. Факторы, возникающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищника и т.п.) называются непериодическими.

Подразделение факторов на периодические и непериодические имеет очень важное значение при изучении приспособленности организмов к условиям жизни.

 

Экологические законы

Экологические законы, изложенные во многих литературных источниках, и ознакомиться с ними не составляет большого труда. Для простоты и удобства мы здесь излагаем их по Г.А.Билявскому и др.(1993). Основные законы приводятся в алфавитном порядке.

1.ЗАКОН БИОГЕННОЙ МИГРАЦИИ АТОМОВ (или закон Вернадского). Основой миграции является преобладающее влияние живого вещества организмов. Живое вещество либо принимает участие в биохимических процессах непосредственно, либо создает соответствующую, обогащенную кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами среду. Закон имеет большое теоретическое и практическое значение. Понимание всех химических процессов невозможно без учета действия биогенных факторов, в частности, - эволюционных. Сейчас человек влияет на функционирование всего. Негативное влияние его становится глобальным, неуправляемым (опустынивание, деградация, вымирание).

Этот закон позволяет "сознательно и активно упреждать развитие негативных явлений, управлять биохимическими процессами, используя мягкие экологические методы".

2.ЗАКОН ВНУТРЕННЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ..

Вещество, энергия, информация тесно связаны между собой. Изменение одного вызывает изменение всех, но при этом сохраняются общие качества системы: вещественно-энергетические, информационные и динамические.

Следствия действия закона - после любых изменений обязательно развиваются цепные реакции, которые стремятся нейтрализовать эти изменения. Необходимо помнить, что незначительное изменение одного показателя может вызвать сильное отклонение у других и во всей экосистеме. Они могут быть необратимыми, перейти в глобальные. Изменения вызывают ответные реакции, которые обуславливают относительное постоянство эколого-экономического потенциала? Искусственный рост эколого-экономического потенциала ограничен термодинамической устойчивостью природных систем. Это ответ на вопрос конечен ли рост эколого-экономического потенциала. Это один из самых главных законов в природопользовании. Он показывает, что работает свойство саморегулирования, свойство восстанавливаться, но при "соблюдении" закона экологического императива. Превышение требований экологического императива влечет за собой непредвиденные изменения на локальном, региональном и глобальном уровнях.

3.ЗАКОН ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ.

Все живое генетически разное и имеет устойчивую тенденцию к увеличению биологического разнообразия. Это важно в сфере биотехнологии (генная инженерия, биопрепараты) потому, что, благодаря этому закону, всегда можно предвидеть результат нововведений во время выращивания новых микрокультур через возникающие мутации, либо распространения действия на те виды организмов, на которые они были рассчитаны.

4.ЗАКОН ИСТОРИЧЕСКОЙ НЕОБХОДИМОСТИ.

Развитие биосферы и человечества как целого не происходит от более поздних фаз к начальным, общий процесс развития однонаправленный. Повторяются лишь отдельные элементы социальных отношений (рабство) или типы хозяйствования. Этот закон вероятнее всего социальный, а не экологический. Целесообразно проанализировать действия с действиями этого закона в природе.

5.ЗАКОН КОНСТАНТНОСТИ: (сформулированный В.Вернадским).

Количество живого вещества биосферы (за определенное биологическое время) является величиной постоянной. Этот закон тесно связан с законом внутреннего равновесия. По закону константности любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неизбежно приводит к таким же по объему изменениям вещества в другом регионе, но с противоположным знаком. Следствием действия закона есть правило обязательного заполнения экологических ниш.

6.ЗАКОН КОРРЕЛЯЦИИ (сформулированный Ж.Кювье).

В организме, как в целостной системе все части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям. Изменения одной части неизбежно вызывают изменения в других.

7.ЗАКОН МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ (сформулированный Г.Ю.Одумом и дополнен Н.Реймерсом).

В конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая больше всего способствует поступлению энергии и информации и использует максимальное их количество и наиболее эффективно. Максимизация - это повышение шансов на выживание. По этому закону система создает хранилище (накопители) высококачественной энергии, которая должна обеспечить: а)поступление новой энергии; б) нормальный круговорот; в) создает механизм регулирования, поддержания; г) устойчивость системы и ее способность приспосабливаться к изменениям; д) налаживание обмена с другими системами.

8.ЗАКОН МАКСИМУМА БИОГЕННОЙ ЭНЕРГИИ (закон Вернадского-Бауэра).

Любая биологическая и "бионесовершенная" система с биотой, которая пребывает в состоянии "устойчивого неравновесия" (динамически подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду. По Вернадскому выживают те, которые увеличивают биогенную геохимическую энергию. По мнению Бауэра все живые системы никогда не бывают в состоянии равновесия и выполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, которого требуют законы физики и химии при существующих внешних условиях. Этот закон является основой для разработки стратегии природопользования.

9.ЗАКОН МИНИМУМА (сформулированный Ю.Либихом).

Устойчивость организма определяется наиболее слабым звеном в цепи его экологических потребностей. При удовлетворении минимума количества и качества экологических факторов организм выживает, если минимума нет, то система разрушается. Поэтому всегда нужно искать наиболее слабое звено.

10.ЗАКОН ОГРАНИЧЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ.

Все ресурсы исчерпаемы. Планета является природно-ограниченным телом и на ней не могут существовать бесконечные составные части.

11.ЗАКОН ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ.

Энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается либо с биомассой необратимо передвигается консументам I, II и III порядков, а затем редуцентами. На каждом трофическом уровне происходят большие потери (не более 0,25% начальной энергии возвращается в обратную сторону). Именно поэтому, термин "круговорот энергии" является достаточно условным.

12.ЗАКОН ОПТИМАЛЬНОСТИ.

Ни одна система не может сужаться или расширяться до бесконечности. Ни одни организм не может превышать определенные размеры, которые обеспечивают поддерживание его энергетики. Размеры зависят от условий питания и факторов существования. В природопользовании - это размеры участков полей, выращиваемых животных, растений. Несоблюдение закона приводит к неестественному однообразию на больших территориях (монокультурность), вызывает нарушения функционирования экосистем, экологические кризисы.

13.ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИИ (сформулирован Р.Линдеманом).

С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в основном не более 10% энергии. Этот закон - основа планирования обеспечения населения продовольственными и другими ресурсами.

14.ЗАКОН РАВНОЗНАЧНОСТИ УСЛОВИЙ ЖИЗНИ.

Все природные условия среды необходимые для жизни играют равнозначные роли. Из этого следует другой закон - закон совместного действия экологических факторов, который часто игнорируется.

15.ЗАКОН РАЗВИТИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Любая природная система развивается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно - это вывод из закона термодинамики. Следствие закона:а)абсолютно безотходное производство невозможно; б)более высокоорганизованная биотическая система является постоянной угрозой для менее организованных, поэтому в биосфере не возможно повторное зарождение жизни - оно будет уничтожено уже существующими организмами; в)биосфера Земли как система развивается за счет внутренних и космических ресурсов.

16.ЗАКОН УМЕНЬШЕНИЯ ЭНЕРГООТДАЧИ В ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ.

В процессе получения от природной системы полезной продукции со временем (в историческом аспекте на ее изготовление в среднем затрачивается все больше энергии) увеличиваются энергетические затраты на одного человека.

Сейчас в 60 раз больше расходы энергии за сутки, чем во времени на ших далеких предков, т.е. несколько тысяч лет назад. Бесконечно ли это? Это можно и следует рассчитывать, планируя свои отношения с природой в целях их гармонизации.

17.ЗАКОН СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ (закон Митчерлиха - Тинемана - Бауле).

Объем урожая зависит не от отдельного, пусть даже лимитирующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно. Закон имеет силу при определенных условиях - когда влияние монотонно и максимально проявляется каждый фактор при неизменности других в той совокупности, которая рассматривается.

18.ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТИ (закон Шелфорда).

Лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень устойчивости (толерантности) организма к данному фактору. По этому закону любое чрезмерное количество вещества или энергии в экосистеме становится ее врагом, загрязнителем.

19.ЗАКОН ПОЧВОУТОМЛЕНИЯ. (уменьшения плодородия): постепенное снижение природного плодородия почв происходит из-за длительного их использования и нарушения природных процессов почвообразования, а также длительного выращивания монокультур (это накопление токсичных веществ, выделяемых растениями, остатки пестицидов и минеральных удобрений).

20.ЗАКОН ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ЕДИНСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА (сформулированный В.Вернадским). Все живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу. Это означает, что вредное для одного живого вещества является вредным и для другого, но в различной степени. Здесь есть лишь устойчивость видов к действию того или иного агента. Устойчивость к физико-химическому воздействию, скорость отбора по устойчивости популяции к вредному агенту прямо пропорциональна вредности размножения организма и чередования поколений. Это означает, что длительное употребление пестицидов нецелесообразно, поскольку вредители быстро приспосабливаются и возникает необходимость увеличивать количество внесения пестицидов.

21.ЗАКОН ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КОРРЕЛЯЦИИ: в экосистеме, как и в любой другой все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одной части системы (вида) неизбежно приводит к исключению другой части и к функциональным изменениям.

22.ЗАКОН НЕОГРАНИЧЕННОСТИ ПРОГРЕССА. Он определяется неограниченным развитием от простого к сложному в пределах биологической формы движения материи. Суть закона состоит в том, что все живое в своем вечном непрерывном и абсолютном движении стремится к относительной независимости от условий среды существования. Но при этом понятно, что ничто не может освободиться от среды жизни.

Американский ученый Б.Коммонер дал определение 4 известным законам экологии:1) все связано со всем; 2)все должно куда-нибудь деваться; 3)природа лучше "знает"; 4)ни что не происходит бесследно (за все нужно платить).

Н.Реймерс указывает, что первый закон Коммонера близок по сути к закону внутреннего динамического равновесия; второй - к этому же закону и к закону развития природной системы за счет окружающей среды; третий - предостерегает нас от самоуверенности; четвертый - эту проблему рассматривает закон внутреннего динамического равновесия, законы константности и развития природной системы. По четвертому закону Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем от нее, иначе катастрофа неизбежна.

Таким образом, за последние тридцать-сорок лет экология стала многогранной комплексной наукой, главной целью которой является разработка научных основ спасения человечества и среды его существования - биосферы планеты, рациональное природопользование и охрана природы. Поэтому сейчас, когда экологическим воспитанием охвачены все массы населения на планете, знание экологических законов поможет человечеству найти правильные пути к выходу из экологического кризиса. Знание экологических законов позволит взвешенно, обдуманно предвидеть далекую перспективу.

Все выше приведенное свидетельствует о том, что одна часть приведенных выше законов является типичными для традиционной (геккелевской) экологии и служит фундаментальной базой для неоэкологии, другая - несомненно является неоэкологической, и, наконец, третья часть являются актуальной и для традиционной экологии и для неоэкологии.

Правила в общем виде можно трактовать как эмпирические следствия из различных экологических законов.

Эколого-термодинамическое правило Г.Одума, сформулировано автором в 1967 году, он опирался на концепции А.Лотки (1925) и Э.Шредингера (1945) относительно взаимоотношений между термодинамикой и экологией - в любой сложной системе реально существующего мира первостепенную важность имеет поддержание процессов, идущих против температурного градиента (по Дедю, 1990, стр.364).

Правило неизбежности цепных реакций (следствие из закона внутреннего динамического равновесия).

Правило нелинейности внутренних взаимодействий (второе следствие из закона внутреннего динамического равновесия).

Правило необратимости нарушений (третье следствие из закона внутреннего динамического равновесия).

Правило постоянства эколого-экономического потенциала (четвертое следствие из закона внутреннего динамического равновесия).

Правило 10% процентов (см.закон Линдемана или закон пирамиды энергий).

Правило "мягкого" управления. Мягкое, значит - опосредованное, направляющее, восстанавливающее природный баланс, а жесткое - это технологическое. Его можно назвать правилом целесообразного преобразования природы. Это восстановление бывшей естественной продуктивности или ее повышения на основе объективных законов.

Правило 1% процента - изменение энергетики природных систем в пределах 1% выводит природные системы из равновесного (квазистационарного) состояния. Когда происходит переход величины суммарной энергии за 1% от энергии солнечного излучения, это приводит к существенным аномалиям - резким климатическим аномалиям (мощным циклонам, извержениям вулканов и т.д.), переменам в характере растительности, крупным пожарам и т.д.

Принципы направленности эволюции (Л.Онсагера) или закон минимальной диссипации (рассеивания) энергии и другие эволюционные теоремы экологии. Эволюция всегда направлена на снижение рассеивания энергии, на ее неравномерное распределение. Этот принцип среди других принципов экологии и природопользования служит для расшифровки закона оптимальности.

Принцип катастрофического толчка - резкие изменения среды сначала ведут к снижению разнообразия, а затем к взрыву формообразования.

Принцип сукцессионного замещения - биотические сообщества формируют закономерный ряд ЭС, ведущий к наиболее устойчивой в данных условиях природной системе. Это следствие из систематического закона.

Принцип Ле Шателье-Брауна - при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект воздействия ослабляется. Он, в числе других в значительной мере объясняет причины действия закона снижения энергетической эффективности природопользования - чем больше отклонение от состояния экологического равновесия, тем значительнее должны быть энергетические затраты для ослабления противодействия природных систем этому отклонению.

Принцип обманчивого благополучия - первые успехи (или неудачи) в природопользовании по преобразованию природы или управлению ею объективно оцениваются лишь после выявления хода и результатов природных цепных реакций (10-30 лет) в пределах естественного природного цикла (молодой лес сначала может иссушать землю, а затем ведет к повышенному увлажнению территории).

Принцип Реди - живое происходит только от живого, между живым и не живым веществом существует непроходимая граница. Принцип был заново сформулирован В.И.Вернадским в 1924 году.

 

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: