Конспект по теме «Экология. Предмет и задачи. Среда жизни, среда обитания, экологические факторы их классификация»

Конспект по теме

«Экология. Предмет и задачи. Среда жизни, среда обитания, экологические факторы их классификация»

План конспекта

1. Предмет изучения и задачи экологии

2. Подразделения экологии и ее связь с другими науками.

3. Методы экологических исследований.

4. Понятия «среда жизни» и «среда обитания» организмов.

5. Экологические факторы и их классификация.

6. Причины многообразия экологических факторов.

7. Закономерности действия факторов среды на живые организмы

8. Взаимодействие факторов.

9. Экологические индикаторы.

10. Экологическая ниша вида.

11. Биоты и биомы.

12. Фотопериодизм

1. Предмет изучения и задачи экологии

Экология (от греч. ойкос - дом, жилище и логос - учение) — биологическая наука о взаимоотношениях живых существ между собой и окружающей их неоргани­ческой природой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем.

Экология сформировалась в середине XIX века, когда накопилось много сведений о многообразии организмов и особенностях их образа жизни. Возникло понимание, что окружающая человека природа — это не беспорядочное сочетание живых существ, а сложно организованные их системы, возникшие в результате биологической эволю­ции. Наконец, к середине XIX века возросло влияние чело­века на природу, что потребовало от науки выработки конкретных рекомендаций по охране окружающей среды.

Термин «экология» был введен в научный обиход вы­дающимся немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем в 1869 году для обозначения науки о местообитании.

Геккель определял экологию «как науку, призванную исследовать все те запутанные взаимоотношения, которые Ч. Дарвин условно обозначил как борьбу за существова­ние» (то есть имелась в виду наука об условиях существо­вания в природе растений и животных и общих отноше­ниях организма к окружающему внешнему миру).

Таким образом, с середины XIX века возникло понима­ние того, что не только строение и развитие организмов подчинено определенным закономерностям, но что и вза­имоотношения организмов со средой обитания тоже име­ют свои закономерности, которые заслуживают изучения.

Экология как наука решает следующие основные задачи:

• изучение взаимоотношений организмов, популяций разных видов между собой и с факторами неживой природы;

• использование выявленных экологических законо­мерностей в народном хозяйстве и в деле охраны природы (проблема использования биологических ресурсов, экологизация промышленного производ­ства, сохранение природных ландшафтов и др.).

Каждый образованный человек должен в той или иной степени быть знаком с факторами, имеющими общее зна­чение и обеспечивающими жизнь ему самому, не говоря уже о процветании других организмов.

2. Подразделения экологии и ее связь с другими науками.

Областью, представляющей собой основной интерес для экологических исследований, являются уровни организа­ции жизни, начиная от уровня организма и заканчивая уровнем биосферы, то есть экология изучает организмы, биоценозы и экосистемы вплоть до биосферы.

Традиционно экологию подразделяют на несколько разделов:

• Аутоэкология — изучает индивидуальные организ­мы или отдельные виды (обычно при этом особое внимание уделяется жизненным циклам и поведе­нию как способам приспособления к среде).

• Демэкология (популяциопиая экология) — изучает жизнь отдельных популяций, определяет причины их изменений.

• Синэкология — занимается изучением сообществ, эко­систем и средой их обитания.

• Глобальная экология — изучает биосферу, является наивысшим отделом экологии.

Возникнув, как самостоятельная биологическая дисцип­лина во второй половине XIX века, экология быстро раз­вивается. Она сохраняет и совершенствует свои связи не только с основными биологическими науками (зоологи­ей, ботаникой, систематикой, морфологией, физиологией и др.), но и с науками физико-математического и геогра­фического циклов. В результате появились такие направ­ления исследования, как экологическая цитология, эколо­гическая морфология и физиология, популяционная гене­тика, этология, радиоэкология и многое другое.

Энергично растут связи экологии с общественными науками, особенно с экономическими и юридическими. В настоящее время возникло не менее 50 различных «эколо­гии»: медицинская, моря, суши, атмосферы, почвы, клет­ки, культуры и т.п. Сегодня можно с уверенностью гово­рить об экологизации всего естествознания.

3. Методы экологических исследований.

Уровень любой науки определяется уровнем методов, которыми она пользуется. За последние десятилетия мето­ды экологии существенно обновились, но в подавляющем большинстве они весьма трудоемки. Дадим характеристи­ку основным методам экологических исследований.

Наблюдение — традиционный метод естественно-науч­ных дисциплин, заключающийся в длительном изучении строго определенных живых объектов в естественной об­становке.

Метод мечения объектов используется для изучения миграций, динамики популяций и других целей. Техника мечения быстро прогрессирует (кольцевание, источники радиосигналов, клеймение и др.).

Модифицированные методы физиологии — на них осно­ваны исследования по потреблению веществ, использова­нию энергии, а в конечном счете и работы по продуктив­ности. Эти методы связаны с использованием громоздких приборов.

Эксперимент — позволяет выяснить роль отдельных факторов среды при постоянстве, всех остальных в искус­ственно созданных и контролируемых условиях.

Прогнозирование и математическое моделирование — математические модели представляют собой системы диф­ференциальных уравнений, описывающих зависимости скорости переменных от их значений. С помощью моде­ли стремятся рассчитать сезонную или многолетнюю ди­намику переменных при различных интенсивностях тех или иных антропогенных воздействий на экосистему. По­строить модель очень сложно. Например, составить реалистическую модель такой системы, как Аральское море, бассейн Волги и так далее, составить прогноз их изменений очень трудно, если не невозможно. Чаще всего прогнозы оказываются ошибочными.

4. Понятия «среда жизни» и «среда обитания» организмов.

Среда жизни - это подразделение биосферы, сильно различающееся по специфике условий существования орга­низмов. На нашей планете живые организмы освоили четыре основных среды жизни:

• водная - была первой, в которой возникла и рас­пространилась жизнь;

• наземно-воздушная - самая сложная и многообраз­ная в экологическом отношении среда, жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые оказались возможными лишь при достаточно высо­ком уровне организации и растений, и животных;

• почвенная - отличается целым рядом экологичес­ких преимуществ, что привлекает в нее организмы разных систематических групп;

• сами живые организмы- специфическая среда жиз­ни для паразитов и симбионтов.

В любой среде жизни животные и другие организмы занимают участки, наиболее благоприятные для их суще­ствования. Та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодейству­ет, называется средой обитания.

Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Способность к адаптациям — одно из основ­ных свойств жизни. Адаптации проявляются на разных уровнях: от клеток до сообществ и экосистем. Адаптации возникают и изменяются в ходе эволюции видов.

5. Экологические факторы и их классификация.

Экологические факторы — это отдельные свойства или элементы среды, воздействующие прямо или косвенно на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из ста­дий их индивидуального развития. Экологические факто­ры многообразны. Многочисленны подходы к их класси­фикации. Экологические факторы можно классифициро­вать по влиянию на жизнедеятельность организмов, по степени изменчивости во времени, по длительности дей­ствия и т. д.

Рассмотрим классификацию экологических фак­торов, основанную на их происхождении.

По происхождению экологические факторы делятся на три группы.

Хотя человек влияет на живую природу через измене­ние абиотических факторов и биотических связей видов, деятельность людей на нашей планете следует выделить в особую группу факторов, так как она превратилась в мощ­ную геологическую силу.

6. Причины многообразия экологических факторов.

В основе разнообразия экологических факторов лежат следующие причины:

• один и тот же фактор среды имеет различное значе­ние в жизни совместно обитающих организмов раз­ных видов (сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных обитателей открытых пространств, но не действует на более мелкие организмы, которые ук­рываются в норах, под снегом и т. д.);

• некоторые факторы остаются длительно относитель­но-постоянными, но большинство факторов очень из­менчивы во времени и в пространстве (постоянны -сила тяготения, солевой состав океана; изменчивы —

температура, влажность, ветер, осадки и др.);

• экологические факторы оказывают на организмы раз­личные воздействия (как раздражители, вызывающие появление адаптации; как ограничители, обуслов­ливающие невозможность существования в данных условиях; как сигналы, свидетельствующие об из­менениях других факторов среды).

7. Закономерности действия факторов среды на живые организмы

Закон оптимума.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей. Начнем рассмотрение этих закономерностей с закона оптимума.

Закон оптимума гласит: «Каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на орга­низмы. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнеде­ятельности особей».

Благоприятная зона воздействия фактора на­зывается зоной оптиму­ма экологического фак­тора или просто оптиму­мом для организма данного вида. Чем силь­нее отклонения от опти­мума, тем больше выра­жено действие данного фактора на организм (зона пессимума). Мак­симально и минимально переносимые значения фактора — это критические точки, за пределами которых суще­ствование уже невозможно, наступает смерть.

Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью (толерантностью) живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Представители разных видов сильно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической валентности.

Виды с широкой экологичес­кой валентностью называются эврибионтными (эвривидами).

Виды с узкой экологической валентностью называют­ся стенобионтнычи (стеновидами).

Правило ограничивающих факторов. Закон минимума.

Если хотя бы один из экологических факторов при­ближается или выходит за преде­лы критических величин, то, не­смотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям гро­зит гибель.

Любой фактор, который имеет тенденцию замедлять потенциаль­ный рост экосистемы, носит назва­ние ограничивающего (лимитирующего) фактора. Лимитирующим может быть любой экологический фактор (температура, вода, пища и т. д.).

Закон минимума, сформулиро­ванный в 1840 году Ю. Либихом, гласит:

«Темп роста зависит от питательного элемента или других условий, которые при­сутствуют в минимальном количестве по отношению к потребности и наличности».

Этот закон был сформулирован Ю. Либихом в отно­шении сельскохозяйственных растений. В настоящее вре­мя он практикуется шире, как принцип лимитирующих, факторов. Своеобразной иллюстрацией закона минимума является «бочка Либиха».

Выявление ограничивающих факторов очень важно в практике сельского хозяйства, так как, направив основ­ные усилия на их устранение, можно быстро и эффектив­но повысить урожайность растений или производитель­ность животных.

Независимое приспособление видов к каждому из фак­торов среды.

Степень выносливости, критические точки, оптималь­ная и пессимальная зоны отдельных индивидов не совпа­дают. Эта изменчивость определяется как наследственны­ми качествами особей, так и половыми, возрастными и физиологическими различиями. Поэтому экологическая валентность вида всегда шире экологической валентности каждой отдельной особи.

Степень выносливости к какому-нибудь фактору не означает соответствующей экологической валентности вида по отношению к остальным факторам. Экологические валентности вида по отношению к разным факторам мо­гут быть очень разнообразными. Это создает многообра­зие адаптации в природе.

Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

8. Взаимодействие факторов.

Оптимальная зона и пределы выносливости организ­мов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы (вза­имодействие факторов).

Например, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе, или угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Таким образом, факторы могут до определенных пре­делов компенсировать друг друга. Так, увядание растений можно приостановить путем как увеличения количества влаги в почве, так и снижением температуры воздуха, уменьшающего испарение.

Учитывая закономерности взаимодействия экологичес­ких факторов в сельскохозяйственной практике, можно умело поддерживать оптимальные условия жизнедеятель­ности культурных растений и домашних животных.

9. Экологические индикаторы.

Несмотря на широкий размах приспособляемости, некоторые виды могут служить экологическими индика­торами внешних условий.

Экологические индикаторы (от лат. indico — указываю, определяю) — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных измене­ний среды обитания.

Стенобионтные виды заслуживают большего доверия как индикаторы. Вследствие этого редкие виды часто ока­зываются лучшими индикаторами. Например, лишайни­ки, некоторые хвойные растения служат индикаторами чистоты воздуха, а по составу флоры и фауны вод, чис­ленному соотношению их отдельных представителей су­дят о степени и характере загрязнений.

10. Экологическая ниша вида.

Комплекс факторов, которые требуются для существо­вания вида, включая его связи с другими видами в сооб­ществе, называется экологической нишей.

Экониша является характеристикой всех сторон обра­за жизни данного вида, в том числе и как вид использует местообитания (например, в каких местах и в какое время особи добывают пищу).

Различают:

• фундаментальную нишу — те условия, в которых вид в принципе может существовать;

• реализованную нишу — условия, где вид реально встречается в данном сообществе.

Реализованная ниша всегда составляет некоторую часть фундаментальной.

Таким образом, каждый вид имеет свою экологичес­кую нишу. Экологическая ниша вида определяет его рас­пространение и роль в сообществах.

11. Биоты и биомы.

Биота — исторически сложившаяся совокупность жи­вых организмов, объединенных общей областью распро­странения. В биоту входят виды, которые могут и не иметь, экологических связей друг с другом.

Биом — совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтногеографической зоне (в тундре, хвойных лесах и т. д.). Выделяют биомы сухопутные, морские, пресноводные и др.

12. Фотопериодизм

Ритмичность в неживой и живой природе.

Одно из фундаменталь­ных свойств живой приро­ды — цикличность боль­шинства происходящих в ней процессов. Вся жизнь на Земле, от клетки до биосфе­ры, подчинена определен­ным ритмам. Остановимся на ритмах в неживой при­роде, на так называемых вне­шних ритмах. Основные внешние ритмы имеют геофизическую при­роду, так как связаны с вращением Земли относительно Солнца и Луны относительно Земли. Под влиянием этого вращения множество экологических факторов на нашей планете закономерно изменяются: световой режим, темпе­ратура, давление, влажность, атмосферное электромагнит­ное поле, приливы, отливы и др. Кроме того, на живую природу воздействуют и такие космические ритмы, как периодичность изменения солнечной активности и др.

В ответ на геофизические циклы живые организмы выработали так называемые адаптивные биологические ритмы — суточные, приливно-отливные, годичные.

Био­логические ритмы проявляются в чередовании в ходе жиз­недеятельности организмов определенных физиологичес­ких явлений. Благодаря биологическим ритмам самые важ­ные биологические функции организма, такие как питание, рост, размножение, совпадают с наиболее благоприятны­ми для этого временем суток или года. Приведем приме­ры биологических ритмов организмов.

Суточные ритмы — у человека свыше ста физиологи­ческих функций затронуты суточной периодичностью: сон, бодрствование, изменение температуры тела, глубина и частота дыхания и др. Причина суточных ритмов — вра­щение Земли вокруг своей оси.

Приливно-отливиые ритмы — в течение лунных суток (24 часа 50 минут) наблюдается два прилива и два отлива, фазы которых ежедневно смещаются примерно на 50 ми­нут. Сила приливов, кроме того, закономерно меняется в течение лунного месяца (29,5 солнечных суток). Дважды в месяц они достигают максимальной величины. В ответ на отлив устрицы сжимают створки и прекращают питание. Рыбка атерина, обитающая у берегов Калифорнии, ис­пользует в своем жизненном цикле высоту прилива для отложения икры. Через полмесяца мальки выходят в воду во время высокого прилива.

Годичные ритмы -— одни из самых универсальных в живой природе. Приспособительный характер сезонных изменений в физиологии и поведении живых организмов очевиден: так, размножение происходит в наиболее благо­приятное время года, а переживание критических периодов происходит в наиболее устойчивом состоянии. Чем резче сезонные изменения внешней среды, тем сильнее выражена годовая периодичность жизнедеятельности организмов.

Таким образом, в ответ на внешние ритмы живые организмы выработали адаптационные биологические ритмы, позволяющие им приспособиться к периодической смене биотических факторов среды.

Фотопериодизм.

Годовая периодичность зависит не от непосредственно действующих на организм мощных экологических факто­ров (температуры, влажности и др.), которые подвержены сильной погодной изменчивости, а от второстепенных для жизнедеятельности свойств среды, которые, однако, очень постоянны и закономерно изменяются в течение года.

Одним из наиболее точно и регулярно изменяющихся факторов среды является длина светового дня. Именно этот фактор служит большинству живых существ для ориентации во времени года. Продолжительность свето­вого дня оказалась «удобным» фактором-регулятором биологических ритмов по нескольким причинам:

• постоянство из года в год, является космическим дан­ным;

• служит предвестником будущих температурных из­менений.

Реакция живых организмов на сезонные изменения продолжительности дня называется фотопериодизмом (от греч. фотос — свет и периодос — круговращение).

Прояв­ление фотопериодических реакций зависит не от интенсив­ности освещения, а только от ритма темного и светлого периода суток.

Фотопериодизм свойственен далеко не всем видам. Так, цветение, плодоношение, отмирание листьев у тропичес­ких растений растянуты во времени и не подчиняются фотопериоду. Виды, у которых физиологические перестройки в цикле развития не зависят от длины дня, относятся к организмам с нейтральной фотопериодической реакцией.

Типы фотопериодических реакций.

Различают два типа фотопериодической реакции: короткодневный и длиннодневный.

У длиннодневных растений и животных увеличивающи­еся весенний и раннелетний дни стимулируют ростовые процессы и подготовку к размножению. Укорачивающи­еся дни второй половины лета и осени вызывают тормо­жение роста и подготовку к зиме. Длиннодневные виды живут и произрастают в основном в умеренных и высо­ких широтах. Примерами длиннодневных растений явля­ются редис, редька и др.

Короткодневные виды живут и произрастают в основ­ном в низких широтах. Короткодневные растения особен­но чувствительны к фотопериоду, так как длина дня на их родине меняется в течение года мало, а сезонные климати­ческие изменения могут быть очень значительными. Тро­пические виды фотопериодическая реакция подготавливает к сухому и дождливому сезонам. Примерами короткодневных растений являются хризантемы, астры, георгины. У растений за восприятие длины дня отвечают листья. У длиннодневных растений в ответ на увеличение продол­жительности дня листья вырабатывают гормоны — гиббериллины. Чем длиннее день, тем больше в них синтези­руется гиббериллинов. В листьях короткодневных расте­ний, видимо, образуются при коротком дне какие-то другие вещества, «включающие» цветение. Но найти эти вещества пока не удалось.

Фотопериодизм растений и животных — наследствен­но закрепленное, генетически обусловленное свойство.

Биологические часы. Использование фотопериодических реакций.

Чтобы реагировать на изменение продолжительности дня, живые организмы должны это изменение улавливать, го есть должны обладать биологическими часами. У растений биологические часы расположены в листьях, а у животных — в эпифизе.

Для практических целей длину светового дня изменяют при выращивании культур в закрытом грунте; управляя продолжительностью освещения, увеличивают яйценос­кость кур, регулируют размножение пушных зверей и т. д.

Изучением закономерностей сезонного развития при­роды занимается особая прикладная отрасль экологии — фенология (от греч, фенос — явление и логос — учение).