Учебное пособие по Экологии

ШЫҒЫС ҚАЗАҚСТАН ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКАЯ

ОБЛЫСЫ ОБЛАСТЬ

СЕМЕЙ ҚАЛАСЫ ГОРОД СЕМЕЙ

БІЛІМ МЕКЕМЕСІ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «АВИЦЕННА» МЕДИЦИНАЛЫҚ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ

КОЛЛЕДЖІ «АВИЦЕННА»

УТВЕРЖДЕНО

на заседании Методического Совета

Учреждения образования

«Авиценна» медицинского колледжа

протокол № ___ ___/________/2015 г

Заместитель директора по УР,

председатель методического Совета

_________________ Адельханова Д. О.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

«ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ»

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКОЛОГИЯ»

РАЗДЕЛ: «ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ»

ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 0301000 «ЛЕЧЕБНОЕ ДЕЛО»

И КВАЛИФИКАЦИЙ 0301013 «ФЕЛЬДШЕР»

Рассмотрена и одобрена

на заседании ЦМК ОПД

/_____/ /______/ 2016 года

Протокол № ___

Председатель ЦМК ОПД

___________ Шакенова А.Ж.

Составил преподаватель

дисциплины «Экология»

__________ Акимбаев А.К.

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка 1. Предмет, задачи и объекты изучения экологии, структура современной экологии. Краткая история развития. 2. Основные положения общей экологии, экологические факторы, популяция, структура и виды популяции. 2.1. Учение об экосистемах, роли концепции экосистемы в экологии, продуктивность и динамика экосистемы. 2.2. Природные экосистемы Земли. 2.3. Учения о биосфере, биосфера как глобальной экосистема, основные свойства биосферы, эволюция биосферы 3. Учение В.И. Вернадского о ноосфере 4.Заключение 5. Словарь-справочник некоторых терминов по экологии 6. Список использованной литературы

3 стр. 5-8 стр. 9-10 стр. 11-14 стр. 15-17 стр. 18-20 стр. 21-22 стр. 23 стр. 24-25 стр. 26 стр.

Пояснительная записка

Данное учебное пособие предназначено для освоения раздела «Основы общей экологии» дисциплины «Экология» для учащихся вторых курсов. Разработана на основе государственного образовательного стандарта по специальности среднего профессионального образования и рабочим программам учебной специальности 0301000 «Лечебное дело» и квалификаций 0301013 «Фельдшер».

Включает в себя теоретический материал по разделу, представленный в виде таблиц, схем и иллюстраций.  

В ходе ознакомления с данным учебным пособием у учащихся развиваются познавательные универсальные учебные действия: обще учебные универсальные действия - самостоятельное выделение и формулирование  познавательной цели, поиск и выделение необходимой информации, структурирование знаний; регулятивные универсальные учебные действия , планирование, прогнозирование, контроль; Пособие снабжено кратким словарём терминов, составленным на основании часто задаваемых учащимися вопросов. В него входят определения некоторых понятий и явлений, используемых при изложении материала. Также в состав данного пособия входит справочник по персоналиям, содержащий краткую биографию ученых, внесших тот или иной вклад в развитие и становление экологии как науки. Данные разделы обеспечивают непрерывность процесса освоения (повторения) материала при самостоятельной работе учащихся, поскольку избавляют от необходимости обращения к дополнительным справочникам. Тем не менее, пособие не освобождает и не ограничивает студента от обращения к другим источникам информации, в том числе рекомендованным в данном пособии, необходимым для выполнения контрольных работ и для подготовки к зачету, поскольку не охватывает материал,вынесенный на самостоятельное изучение учащихся.

ВЫПИСКА ИЗ ТИПОВОЙ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ

УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«ЭКОЛОГИЯ»

Тематический план раздела «Основы общей экологии»

Специальность	Теория	Темы занятий
0301000 «Лечебное дело»	12	Раздел 1.Введение. Тема 1. Предмет, задачи и объекты изучения экологии, структура современной экологии. Краткая история развития.
		Раздел 2.Основы общей экологии. Тема 2.1. Основные положения общей экологии, экологические факторы, популяция, структура и виды популяции.
		Тема 2.2. Учение об экосистемах, роли концепции экосистемы в экологии, продуктивность и динамика экосистемы.
		Тема 2.3. Природные экосистемы Земли.
		Тема 2.4. Учения о биосфере, биосфера как глобальной экосистема, основные свойства биосферы, эволюция биосферы.
		Тема 2.5. Учение В.И. Вернадского о ноосфере.

Тематическое содержание раздела «Основы общей экологии»

Тема занятия	Содержание
Раздел 1.Введение. Тема 1. Предмет, задачи и объекты изучения экологии, структура современной экологии. Краткая история развития.	Учебная информация: объект, предмет изучения экологии; цели, задачи экологии; краткие исторические сведения о развитии экологии и роли в становлении экологии ученых Ж. Ламарка, К. Линнея, Э. Геккеля, А. Тэнсли, В.И. Вернадского. Основные понятия (термины) экологии. Методы экологии.
Раздел 2.Основы общей экологии. Тема 2.1. Основные положения общей экологии, экологические факторы, популяция, структура и виды популяции.	Системы надорганизменного уровня: популяции, экосистемы, биосфера, как объект изучение экологии. Основные положения общей экологии и экологических факторах, оказывающих влияние на численность популяций.
Тема 2.2. Учение об экосистемах, роли концепции экосистемы в экологии, продуктивность и динамика экосистемы.	Блоковая модель экосистемы (биогеоценоза). Компоненты абиотического и биотического блоков (фитоценоз, зооценоз, микробиоценоз). Положительный баланс автотрофных и гетеротрофных процессов, как одна из главных функциональных характеристик экосистем.
Тема 2.3. Природные экосистемы Земли.	Динамика и продуктивность экосистемы Земли, структура экосистемы. Понятие продуктивности экосистемы. Биомасса экосистемы.Экологическая сукцессия – развитие экосистем.
Тема 2.4. Учения о биосфере, биосфера как глобальной экосистема, основные свойства биосферы, эволюция биосферы.	Биосфера как глобальная экосистема, основные свойства биосферы. Учение В.И.Вернадского о биосфере и ноосфере. Живое вещество и его свойства. Закон биогенный миграции атомов В.И. Вернадского. Способность к саморегуляции. Большой и малый круговорот веществ.
Тема 2.5. Учение В.И. Вернадского о ноосфере.	Ноосфера как высшая стадия эволюции биосферы. Краткая характеристика ноосферы. Становления и существования ноосферы.

Тема 1. Предмет, задачи и объекты изучения экологии, структура современной экологии. Краткая история развития.

В настоящее время сложилась критическая ситуация с экологической обстановкой практически во всех уголках нашей планеты. С одной стороны это должно быть понятно любому человеку и должно вызывать соответствующие действия, но с другой стороны многие из нас - людей закрывают на это глаза и продолжают усугублять опасную для самих себя обстановку. В связи с этим одной из важных задач является образование в сфере экологии. Нужно научить людей обращать внимание на их поведение, образ жизни, здоровье, отношение к окружающей среде и видеть взаимосвязь всех компонентов окружающего их мира – как природного, так и антропогенного характера.

Быстрый рост населения нашей планеты вызывает истощение её ресурсов и увеличение промышленных отходов. Всё это отрицательно влияет на системы жизнеобеспечения множества видов живых организмов, в том числе и людей. Необходимы разработка и внедрение технологий с более рациональным использованием природных ресурсов, с меньшим количеством вредных выбросов в окружающее пространство и более эффективной их утилизацией.

Человеческая занятость, а зачастую и псевдозанятость также является одним из факторов ухудшающих экологическую обстановку окружающей среды. Люди всё больше питаются полуфабрикатами и реже используют пищу домашнего приготовления. Это является причиной не только ухудшения здоровья, но и увеличения объёмов бытовых неорганических отходов. Так, например, вместо того, чтобы приготовить котлеты, мы покупаем их в замороженном виде, как правило, на пластиковом поддоне, который затем отправляется в мусорное ведро. Приезжая в сельскую местность мы не пьём свежевыжатый яблочный сок и не готовим домашний квас, а покупаем их, выпиваем по дороге на речку и выбрасываем пустую тару в ближайший овраг, кусты или оставляем прямо на берегу. Но, если в городе хоть какая-то часть подобного мусора собирается и утилизируется специализированными службами, то за городом никто не ходит по лесам и оврагам с мешками для сбора мусора. Каждый год происходит уменьшение площадей как природных зон (леса, болота, луга, водоёмы), так и сельхозугодий (поля, пруды), в то время как площади поверхности не пригодные для проживания и возделывания увеличиваются. Современная экологическая обстановка предъявляет соответствующие требования к специалисту в любой сфере деятельности: он должен обладать экологическими знаниями, понимать проблемы взаимодействия общества и природы, уметь предвидеть возможные последствия от той или иной деятельности, разбираться в методах снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду и делать всё возможное для сохранения и восполнения природного богатства для будущих поколений.

Согласно одному из многочисленных определений, экология – это наука о взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания. Термин «экология» происходит от греческих слов oikos – дом и logos – слово, учение. Этот термин впервые ввёл виспользование в одной из своих статей американский философ, писатель-романист, натуралист широкого профиля Генри Дэвид Торо. Позже, в 1866 году, Эрнст Геккель - немецкий биолог-эволюционист, последователь Чарльза Дарвина, предложил использовать термин «экология» для обозначения науки, изучающей взаимодействие между живыми организмами и неживой природой.

Экология является одной из древних наук. Изучением взаимоотношений организмов со средой обитания ученые занимались с давних времен. Поначалу экология являлась одним из разделов общей биологии и занималась изучением потребностей различных организмов в наиболее подходящих для них условиях существования, способность их приспосабливаться к иным условиям жизни. Исследовались закономерности пространственного распределения и всевозможных взаимосвязей между представителями всех царств живых существ. Всё это обусловило описательный характер экологии как науки, которая лишь накапливала эмпирический материал, не обладая полноценной теорией.

В истории экологии можно выделить три основных этапа:

Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (с древних времен до 60-х годов XIX века). К этому периоду относятся работы следующих ученых:

Карл Линней - великий шведский эколог, создал удобную для практического использования классификациювидов растений и животных и систематизировал сведения об условиях жизни разных видов;

Жан-Батист Ламарк - великий французский эколог, первым высказал мысль о том, что все живое и неживое на нашей планете составляет единое целое - биосферу, и предупреждал человечество о возможных последствиях влияния человека на природу;

Томас Мальтус - великий английский эколог, математически описал закономерности роста числа организмов одного вида и вслед за Ламарком дал прогноз возможных тяжелых последствий хозяйственной деятельности человека, если его численность будет увеличиваться без предела и произойдет перенаселение.

Элементы экологического подхода содержались в исследованиях:

Ивана Ивановича Лепёхина - русского путешественника-натуралиста, естествоиспытателя и лексикографа, систематика живой природы;

Александра Фёдоровича Миддендорфа - российского путешественника, географа, ботаника и натуралиста, систематика живой природы;

Степана Петровича Крашенникова - русского ботаника, этнографа, географа, путешественника, исследователя Сибири и Камчатки;

Жоржа-Луи Бюффона - французского натуралиста, биолога, математика, естествоиспытателя и писателя, и других ученых.

Второй этап (с 60-ых годов XIX века до второй половины XX века) представляет собой оформление экологии в самостоятельную научную дисциплину. В это время трудились следующие ученые:

Чарлз Роберт Дарвин - опираясь на идеи Т. Мальтуса, создал учение о естественном отборе, который исключает перенаселение в природе за счет отмирания более слабых особей;

Василий Васильевич Докучаев - известный русский почвовед;

Виктор Эрнст Шелфорд - великий американский эколог, зоолог,впервые сформулировал закон,показывающий всю сложность влияния экологических факторов на живые организмы;

Георгий Францевич Гаузе - известный советский микробиолог, эколог, его работы в области микробиологии имели колоссальное практическое значение в годы Второй мировой войны.

Исследования Геккеля способствовали расширению границ экологии как науки, а благодаря работам крупнейшего русского учёного Владимира Ивановича Вернадского в число её объектов была включена глобальная экосистема – биосфера, фундаментальное учение о которой он и создал. В 30-е и 40-е годы двадцатого века экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных систем. Но ключевыми понятиями всё ещё остаются живой организм, среда обитания и взаимоотношения между ними.

Третий этап развития экологии начался с 50-х годов XX века и продолжается в настоящее время. На этом этапе экология превращается в комплексную науку.

• 70-е годы Барри Коммонер сформулировал положения, раскрывающие суть бережного отношения к природе и рационального природопользования:

- всё связано со всем; - за всё надо платить;

- всё надо куда-то девать; - природа знает лучше.

• настоящее время особое значение имеет развитие таких направлений прикладной экологии, как охрана природы, рациональное природопользование, экологический менеджмент (управление объектами разного уровня иерархии с позиции обеспечения экологической безопасности) и др.

За последние 20 лет образ экологии изменился радикально. Рост численности населения, технический прогресс и безудержное стремление человечества к материальным благам вытеснили и практически уничтожили истинные блага - чистые воздух и воду, красоту природы, окружающей флоры и фауны, собственное здоровье. Вводя термин «экология», Геккель подразумевал «сумму знаний, относящихся к экономике природы». В те времена выражение «экономика природы» носило иносказательный характер, поскольку долгое время человек как организм со своей средой обитания и вытекающими взаимоотношениями с другими организмами не являлся объектом исследования экологии, однако в настоящее время оно приобрело конкретный смысл, включающий количественную сторону экологии и её связь с экономикой человека. Расширение предмета экологической науки привело к появлению новых трактовок и определений, включающих систему знаний о взаимоотношениях природы и общества.

• Согласно определению известного американского эколога Юджина Одума, экология - это междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи.

В «Экологической энциклопедии» приводятся следующие определения экологии:

1. наука о разных аспектах взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой;

1. наука о совместном развитии человека, сообщества людей в целом и окружающей среды (включающей все остальные организмы), изучающая биотические механизмы, обеспечивающие устойчивость жизни.

1. Макроэкология. Обращение разных дисциплин к проблемам экологии содержит постановку и решение многих практических задач. Экология превратилась из раздела биологии в обширный комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, который по аналогии с макроэкономикой получил название макроэкологии, сохраняя собственную область компетенции.

2. Макроэкология - это междисциплинарная область знаний о взаимодействии многокомпонентных живых систем (включая человечество как биологический вид и социум) с природными и искусственными факторами среды. Основным предметом макроэкологии являются взаимоотношения между обществом и природой, мировая эколого-экономическая система, материальные балансы между её экономической и экологической подсистемами. Интегративный, целостный подход к глобальным проблемам занимает одно из центральных мест в современной науке, например, по Вернадскому антропогенез и история общества - это единый процесс становления и развития целостной системы - биосферы.

Климатологи рассматривают нашу планету как самоорганизующуюся климато-экологическую систему, множество обратных связей в которой позволяет говорить о Земле как о едином живом организме (Ю.А. Кравцов). Воздействие человека на природу занимает центральное место в современной философии и гносеологии глобальных проблем. Однако не все согласны с расширенным пониманием экологии. Это очень характерная точка зрения и на ней следует задержаться. Некоторые биологи настаивают на сохранении традиционного предмета экологии как раздела биологии растений и животных,

выделяя при этом всё, касающееся человека в отдельные разделы - социальную экологию, валеологию, безопасность жизнедеятельности, науку об окружающей среде.

Аналогичное разделение присутствует в западной литературе, там понятия «экология» и «наука об окружающей среде» (энвайронменталистика, от английского термина environment - окружающая среда) не совпадают по содержанию. Если первое понимается только как фундаментальная наука, не вмещая прикладных аспектов, то второе - наоборот полностью сконцентрировано на современных экологических проблемах в отрыве от фундаментальных экологических закономерностей. Поэтому синтез фундаментальной и прикладной экологии просто необходим, к этому и стремится макроэкология. При этом центральной проблемой является противоречие между экологическими требованиями и экономическими интересами и устранение этого противоречия в рамках эколого-экономической координации. Также следует заметить, что, несмотря на то, что поначалу именно экология привнесла в ботанику и зоологию количественные методы, сама она долгое время оставалась описательной дисциплиной.

В современных условиях на развитие природных экологических систем зачастую наиболее сильное влияние оказывает производственная деятельность человека, поскольку все предприятия расположены рядом с экологическими системами и непосредственно связаны с ними через потребление воды, воздуха, использование земли и леса. Поэтому, прежде чем проектировать производство, люди должны знать, какой урон нанесут природе строительные работы и деятельность будущего предприятия. В связи с этим разработан и действует Закон об экологической экспертизе, согласно которому в местах нахождения нескольких крупных производств, интенсивно загрязняющих природную среду, строительство новых промышленных предприятий запрещается.

Современная экология - преимущественно количественная наука, содержащая расчёты, количественный анализ, количественные оценки и модели, а поскольку она имеет дело с очень сложными и динамичными системами, то и нуждается во всё более совершенных средствах мониторинга и прогнозирования. Также необходимо отметить большую нравственно-этическую значимость современной экологии, заключающуюся в призыве к единению с природой.

Таблица 1.1

Ученые, внесшие основной вклад в развитие экологии как науки

Ученый	Годы жизни	Деятельность
I этап: Зарождение и становление экологии как науки (с древних времен до 60-х годов XIX века)
Линней К.	1707-1778	- классификация видов растений и животных, - систематизация сведений об условиях жизни разных видов.
Бюффон Ж.-Л.	1707-1788	- высказал идею о единстве растительного и животного мира, - систематик живой природы
Ламарк Ж.-Б.	1744-1829	- все живое и неживое составляет единое целое – биосферу, - последствия влияния человека на природу.
Мальтус Т.	1766-1834	- математическое описание роста числа организмов одного вида, - прогноз тяжелых последствий деятельности человека вследствие перенаселения
II этап: Оформление экологии в самостоятельную научную дисциплину (с 60-ых годов XIX века до второй половины XX века)
Дарвин Ч. Р.	1809-1882	- учение о естественном отборе
Торо Г. Д.	1817-1862	- ввёл термин «экология»
Зюсс Э.	1831-1914	- ввёл в науку термин «биосфера»
Геккель Э.	1834-1919	- предложил использовать термин «экология» для обозначения науки, изучающей взаимодействие между живыми организмами и неживой природой
Докучаев В.В.	1846-1903	- почвовед
Вернадский В.И.	1863-1945	- фундаментальное учение о биосфере, - основатель биогеохимии.
Тенсли А.	1871-1955	- ввел термин «экосистема», - систематик живой природы, автор наименований ряда ботанических таксонов
Шелфорд В.Э.	1877-1968	- сформулировал закон влияния экологических факторов на живые организмы
Сукачёв В.Н.	1880-1967	- ввел термин «биогеоценоз»
Беклемишев В.Н.	1890-1962	- биота биосферы - единый организм
Гаузе Г.Ф.	1910-1986	- колоссальное практическое значение работ в области микробиологии
III этап: Превращение экологии в комплексную науку (с 50-х годов XX века и продолжается в настоящее время)
Тимофеев-Ресовский Н.В.	1900-1981	- радиационная генетика, популяционная генетика, проблемы микроэволюции
Кравцов Ю.А.	Современ.	- планета как самоорганизующаяся климато-экологическая система
Коммонер Б.	1917 г.р.	- биолог и эколог, сформулировал четыре закона экологии
Войткевич Г.В.	1920-1997	- проблемы радиогеологии, теория происхождения Земли, химическая эволю ция солнечной системы
Реймерс Н.Ф.	1931-1993	- наиболее полно обобщил законы и принципы экологии

Тема 2. Основные положения общей экологии, экологические факторы, популяция, структура и виды популяции.

Рассматривая экологические системы, необходимо учитывать их происхождение - природные, созданные с участием человека или искусственные. Например, в искусственных экосистемах отсутствуют экологические ниши, и существование этих систем полностью зависит от человека. Природные экологические системы населены животными и растениями, то есть видами и популяциями, занимающими каждый свою экологическую нишу.

Вид - это структурная и классификационная единица в системе живых организмов со своим генофондом. Разнообразие видового состава является важной характеристикой экосистемы.

Популяция представляет собой совокупность особей одного вида, занимающих определённое пространство и способных воспроизводить себя в течение большого числа поколений. Важными характеристиками любой популяции являются: численность, плотность заселения, возрастной состав, соотношение полов, рождаемость,

смертность, пространственное распределение.

Популяции и биоценозы. Почему в одних странах увеличивается рост населения, а в других, наоборот, сокращается, и сколько нас должно быть на планете, чтобы она нас смогла обеспечить всеми необходимыми жизненными ресурсами? Ответ на этот вопрос может дать только тщательное исследование популяций. В природе каждый существующий вид представляет сложный комплекс или систему внутривидовых групп - популяций, которые охватывают в своем составе особей со специфическими чертами строения, физиологии и поведения.

Исследования популяций, изучение их экологических и генетических характеристик имеет важное практическое значение, например, при борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур, при учете продовольственных ресурсов и др. Например, в начале XX в. из Северной Америки в Европу с грузом картофеля был случайно завезен колорадский жук, борьба с которым ведётся и в настоящее время.

Популяции обладают определенными экологическими характеристиками:

• популяции неоднородны, т.е. составляющие их особи неодинаковы и различаются по многим признакам (например, у цветковых растений разные особи, составляющие одну популяцию, зацветают не одновременно: одни растения зацветают чуть раньше, другие чуть позже);

• у популяции приспособительные возможности значительно выше, чем у слагающих ее особей (толерантность популяции значительно шире, чем у отдельных особей);

• популяции способны изменять размеры, они могут расти, развиваться, поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях.

Таким образом, свойства популяции значительно отличаются от свойств отдельных особей.

При изучении популяций большое значение имеют количественные показатели, характеризующие популяцию, которые принято делить на две группы: статические и динамические (рис. 1.).

Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. К ним относятся:

• численность,

• плотность,

• возрастная структура,

• половая структура.

Численность популяции - это общее количество особей одного ви-да на данной территории или в данном объеме (если речь идет об обитателях водоемов).

Плотность - число особей, приходящихся на единицу площади или объема, например, плотность населения - количество человек, приходящихся на один квадратный километр, или для гидробионтов - это количество особей на единицу объема, на литр или кубометр воды.

Плотность популяции характеризуется изменчивостью и зависит от ее численности.

Количественные показатели

		Статические					Динамические
		Численность					Рождаемость
		Плотность					Смертность
		Возрастная					Скорость роста
		структура					популяции
		Половая
		структура

Рис. 1. Количественные показатели, характеризующие популяцию

Возрастная структура популяций. Популяция состоит из разных по возрасту особей. У многих животных и растений более длительным является предрепродуктивный период. В тех популяциях, в которых снижается численность, как правило, доминируют старые особи. Для описания возрастной структуры в популяции выделяют возрастные группы, состоящие из организмов одного возраста, и оценивают численность каждой из этих групп.

Половая структура популяции. Генетический механизм определения пола обеспечивает распределение потомства по полу в отношении 1:1. Между особями разного пола могут наблюдаться существенные экологические различия (например, у комаров самки являются кровососущими, а самцы питаются нектаром растений).

Динамические показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) времени. К ним относятся:

• рождаемость,

• смертность,

• скорость роста популяций.

Рождаемость, или скорость рождаемости, - это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. Рождаемость зависит от того, сколько раз в году самки проходят через полный цикл размножения и от продолжительности беременности. Рождаемость, или скорость рождаемости, выражают отношением:

R_b = ∆N_n/∆t,

где ∆N_n - число особей (яиц, семян и т. п.), родившихся (отложенных, продуцированных и т.д.) за некоторый промежуток времени ∆t. Для сравнения рождаемости в различных популяциях пользуются величиной удельной рождаемости - отношением скорости рождаемости к исходной численности (N):

R_{b уд} = ∆N_n/(N∆t).

Например, для поддержания численности населения страны или региона на одном уровне каждые 100 женщин детородного возраста за свою жизнь должны родить не менее 215 детей.

На снижение численности популяций оказывает влияние смертность особей в популяции. Смертность - величина, обратная рождае-мости, но измеряется в тех же величинах и вычисляется по аналогичной формуле:

R_d = ∆N_m/∆t,

где ∆N_m - число погибших особей (независимо от причины) за время ∆t.

Величины рождаемости и смертности могут иметь только положительное или равное нулю значение.

Убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции и эмиграции, т.е. от количества особей, прибывших в популяцию и покинувших ее за единицу времени соответственно.

Для конкретного географического региона (города, страны, континента) скорость изменения численности населения определяется уравнением:

R = (R_b -R_d ) + (R_i -R_e ),

где R_i , R_e - соответственно количество иммигрировавших и эмигрировавших особей за единицу времени. Явления иммиграции и эмиграции в природных популяциях на численность влияют несущественно,поэтомуими при расчетах можно пренебречь [2]. Следовательно, более простое уравнение роста популяции для природных популяций можно записать следующим образом

R = R_b - R_d.

Тема 2.1. Учение об экосистемах, роли концепции экосистемы в экологии, продуктивность и динамика экосистемы.

Общая характеристика экологических систем. Живые организмы неразрывно связаны со своей средой обитания. Как было отмечено ранее, постоянное существование живых организмов возможно только в экологических системах. Именно экосистема является основным объектом исследования экологии.

Экологическая система - это пространственно определённая совокупность совместно обитающих различных видов живых организмов и среды их обитания, взаимодействие между которыми создаёт круговорот веществ, энергии и информации в данной системе. При экосистемном подходе главным предметом исследования становятся процессы трансформации веществ и энергии между биотой и физической средой, т.е. возникающий биогеохимический круговорот веществ в экологической системе в целом. В настоящее время концепция экосистемы, как одно из наиболее важных обобщений биологии, играет весьма важную роль в экологии.

Английский геоботаник Артур Тенсли впервые предложивший термин «экологическая система» в 1935 году, представлял её в виде суммы биоценоза и биотопа. Таким образом, в состав экологической системы входят живые организмы (их совокупность называется сообществом или биоценозом экосистемы) и неживой компонент - биотоп, представленный различными физическими и химическими факторами. Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа.

Существующие на Земле экологические системы разнообразны, в зави-симости от масштаба выделяют следующие их виды:

• микроэкоситемы (например, подушка лишайника на стволе дерева),

• мезоэкоситемы (пруд, озеро, степь, луг и др.),

• макроэкоситемы (например, континент, океан),

• глобальные экосистемы (например, экосфера).

Экосистемы существуют в многократном соподчинении. Высшая экологическая система -биосфера.

По происхождению различают естественные (лес, море, степь, озеро и проч., т.е. формирующиеся под действием природных факторов) и искусственные (сад, пруд, аквариум и др., т.е. создаваемые в процессе хозяйственной деятельности человека) экологические системы.

К экосистемам, созданным с участием человека, можно отнести поля с зерновыми культурами, овощные плантации, фруктовые сады, пруды для разведения рыб. Простейший пример искусственной экологической системы - комнатный аквариум; в промышленных масштабах – аэротенк - искусственная экосистема больших размеров (длиной 50 м, шириной 10 м, глубиной 4 м), используемая для очистки сточных вод посредством биохи-мического окисления органических веществ.

Главные экологические системы суши, такие как леса, степи, пустыни

• проч., называются наземными экосистемами или биомами. Наземные экологические системы многоярусны, то есть для них характерно вертикальное расслоение на структурные части, имеющие разные высоты (например, в лесу: деревья первой величины, подлесок из кустарников, живой почвенный покров). Между различными экологическими системами нет четких границ

• они, как правило, плавно перетекают друг в друга.

• отечественной литературе наряду с термином «экосистема» широко используется термин «биогеоценоз», который ввел в использование в 1940 г. Владимир Николаевич Сукачёв - выдающийся ботаник, лесовод и биогеограф, основоположник биогеоценологии, создатель теории типов леса и лесной биогеоценологии [1, 2]. Биогеоценоз представляет элементарную наземную экологическую систему - участок пространства, имеющий практически однородные условия среды, которым соответствует однородное распределение всех видов организмов. Жизнь биогеоценозов подчинена ряду закономерностей. Основной круговорот веществ в биогеоценозе осуществляется биологическим путём. Для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определённый тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества берёзового леса, мангровой заросли, ковыльной степи и т.п.).

Трофическая структура экологических систем. Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и определённую структуру, основанную на пищевых (трофических) взаимоотношениях. Живые организмы, входящие в состав экологической системы, в зависимости от способа питания делятся на автотрофов и гетеротрофов. Функ-циональнотрофическая структура экосистемы представлена на рис. 2.

Автотрофы (самопитающиеся) - это организмы, производящие органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и др.) из неорганических (С, N, CO₂, H₂O, P, O и др.) посредством процессов фото- и хемосинтеза, т.е. они являются продуцентами экосистем. Всё циркулирующее в биогеоценозах органическое вещество создаётся фотосинтезирующими растениями и водорослями. Только автотрофы способны производить сами для себя пищу. Это первичная биологическая продукция, за счёт которой существуют создатели вторичной биологической продукции - животные и бесхлорофилльные растения.

Источник энергии
(Солнце)
Автотрофы
	Гетеротрофы
Продуцен-	Консументы	Консумен-
ты
	I порядка	ты II поряд-
	(фитофаги)	ка (зоофаги)
	Детритофаги	Редуценты
CO2, Н2О, минераль-
ные вещества

перенос энергии;		перенос веществ;
		возврат углекислого газа, воды и минеральных
сток энергии в среду;
		веществ

Рис. 2. Основные трофические категории организмов (упрощённая схема переноса вещества в экологической системе)

• Гетеротрофы (питающиеся другими) - это организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Гетеротрофы выполняют в экосистеме функцию потребления органических веществ, т.е. являются консументами (потребителями) экосистемы. В зависимости от источников питания гетеротрофы подразделяются на следующие группы фитофаги (растительноядные),

• зоофаги (плотоядные, хищники),

• эврифаги (всеядные),

• паразиты (живущие за счёт веществ организма хозяина, могут вызывать у него заболевания и даже гибель),

• симбиотрофы (также живущие за счёт веществ организма хозяина, но при этом выполняющие жизненно важные для него функции),

• детритофаги или сапрофаги (питающиеся мёртвым органическим веществом).

Большая часть мёртвой материи в экологических системах, особенно мёртвые древесные породы и листья, не потребляется детритофагами, а проходит стадии разложения и гниения вследствие процессов жизнедеятельности редуцентов экосистемы (организмов, очищающих природную среду от органических отходов), в результате чего сложные органические молекулы распадаются на более простые неорганические соединения и вновь используются продуцентами для синтеза органических соединений в процессе фотосинтеза.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки энергии и вещества.

Пищевые цепи и потоки энергии в экологических системах.

Жизнь на Земле существует за счёт потока солнечной энергии, которая передаётся от одних организмов к другим по трофической цепи. Место каждого звена в цепи называется его трофическим уровнем. В экосистемах существует два вида пищевых цепей:

• пастбищные (всегда начинаются с живых фотосинтезирующих растений);

• детритные (начинаются с остатков отмерших растений, трупов

• экскрементов животных).

Как правило, организмы природных экологических систем вовлечены в сложную сеть многих, связанных между собой пищевых цепей,

называемую пищевой сетью.

Принципиальное различие между потоками веществ и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Солнце передаёт Земле колоссальное количество энергии. С каждым переходом с одного трофического уровня на другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и количество энергии, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается. Чем длиннее цепь, тем больше теряется полезной энергии и тем меньше её достаётся конечному потребителю.

Всё вышесказанное позволяет сделать важный вывод: природные экологические системы являются открытыми системами - в них формируется круговорот веществ, но нет круговорота энергии. Существование природных экосистем будет достаточно стабильным, если вынос будет компенсироваться поступлением вещества. Для поддержания круговорота веществ в экологической системе необходимы неорганические молекулы в усвояемой для продуцентов форме, консументы, питающиеся продуцентами и другими консументами, а также редуценты, восстанавливающие органические вещества снова до неор-ганических молекул для питания продуцентов.

Для поддержания равновесия в искусственных экосистемах требуется дополнительная энергия.

Экологические пирамиды. Трофическую структуру любой экологической системы можно представить в виде экологических пирамид, в основании которых лежат продуценты:

• пирамид чисел (или численности),

• пирамид биомасс,

• пирамид энергии.

Каждый прямоугольник (этаж) в пирамиде чисел отражает число организмов на данном трофическом уровне экосистемы. Пирамида чисел отражает закономерность, обнаруженную Ч.С. Элтоном: в экологической системе растений больше, чем растительноядных животных, растительноядных животных больше, чем хищников, но такая закономерность обнаруживается не во всех экосистемах, поэтому более пред-почтительными в использовании являются пирамиды биомасс и энергии.

Каждый прямоугольник в пирамиде биомасс отражает общую массу организмов каждого трофического уровня экологической системы. В наземных экосистемах биомасса растений всегда существен-но больше биомассы животных, а биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов; в водных экологических системах - наоборот. Поэтому универсальным способом выражения трофической структуры экосистем являются пирамиды скоростей образования живого вещества (продуктивности), называемые пирамидами энергии. Каждый прямоугольник такой пирамиды отражает количество энергии, прошедшей через определённый трофический уровень за определённый период. Знание энергетики экологической системы и количественные её показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва её продуктивности.

Развитие экосистем. Возможности существования различных ви-дов в экосистемах, определяемые совокупностью условий места (свободные участки, убежища), размножения, питания и времени, называются экологическими нишами. Чем богаче биогеоценоз, тем больше в нём биологических форм и экологических ниш. Например, экологические ниши птиц, обитающих в лесу: дрозды гнездятся непосредственно на земле; дятлы и совы - в стволах; грачи, сороки и вороны - в кро-нах деревьев. В луговой степи цветение различных видов трав происходит неодновременно, таким образом, хотя пространство и питание для этих видов примерно одинаково, во времени каждый из них имеет свою экологическую нишу.

То же самое относится и к водным экологическим системам.

• любом спокойном водоёме можно выделить три главные зоны:

• литоральную (мелководные участки, в которых свет проникает до дна и размножается большинство растений),

• лимническую (до предельной глубины воды, которой ещё достигает активный солнечный свет),

• глубже лимнической (глубины, где накопление биомассы уже невозможно, поскольку фотосинтез идёт очень слабо, и процессы дыхания и потребления кислорода за счёт фотосинтеза уже не компенсируются).

В зависимости о глубины водоёма применяется следующая классификация водных организмов по экологическим нишам (табл. 2):

• донные организмы,

• свободноплавающие,

• мелководные (лягушки, головастики и проч.).

Таблица 2.

Классификация водных организмов по экологическим нишам

Зоны водоёма	Группа организмов
Литоральная	Мелководные
Лимническая	Свободноплавающие
Глубже лимнической	Донные

Как правило, экосистемы, как наземные, так и водные, являются однородными и сравнительно устойчивыми в пространстве и времени. Устойчивость во времени обеспечивается последовательной сменой одних видов растений и живых организмов другими. Тем не менее, со временем экологические системы претерпевают непрерывные изменения (рис. 3), которые могут быть колебательными (периодическими (суточные ритмы) и апериодическими (погодные процессы)) и поступательными (сукцессии). Все эти изменения накладываются друг на друга и создают чрезвычайно сложную картину динамики экосистемы.

Изменения экологических систем

	Колебательные						Поступательные
Периодические					Апериодические

Рис. 3. Типы изменений, происходящих в экологических системах

Сукцессией называется последовательная смена во времени одних биоценозов другими в экологических системах. Например, первыми в упавшем в лесу дереве поселяются короеды, затем приходят обитатели древесины, в последнюю очередь - беспозвоночные, питающиеся продуктами распада тканей дерева, и на всех этапах обязательно присутствуют бактерии. Более масштабный пример – вырубка лесов: вместо дуба появляется осина, после ели - берёза. Явление сукцессии широко используется в сельском хозяйстве и садоводстве. Сукцессии могут порождаться как внутренними, так и внешними причинами, в первом случае их называют эндогенными сукцессиями (например, последовательное превращение озера в болото), во втором - экзогенными (например, под действием геологических факторов).

Чем сложнее структура экосистемы, тем она устойчивее к внешним воздействиям, но никакая её часть не может существовать без другой. Чем более развит биогеоценоз, тем быстрее и более безболезненно происходит восстановление нарушенных функций какого-либо элемента экологической системы другими, схожими по задачам, частями биогеоценоза и сохранение в почти прежнем объёме функций разных

трофических уровней. Способность экосистем восстанавливать нарушенные внешними воздействиями функции называют буферными свойствами. В современных условиях на развитие природных экологических систем зачастую наиболее сильное влияние оказывает производственная деятельность человека, поскольку все предприятия расположены рядом с экологическими системами и непосредственно связаны с ними через потребление воды, воздуха, использование земли и леса. Поэтому, прежде чем проектировать производство, люди должны знать, какой урон нанесут природе строительные работы и деятельность будущего предприятия. В связи с этим разработан и действует Закон об экологической экспертизе, согласно которому в местах нахождения нескольких крупных производств, интенсивно загрязняющих природную среду, строительство новых промышленных предприятий запрещается.

Тема 2.2. Природные экосистемы Земли.

Вся область распространения жизни на Земле состоит из нескольких основных наземных экосистем (биомов) - пустынных, травянистых и лесных, а также водных (озер, рек и океанов). Каждой экосистеме присущи типичные сообщества растений и животных, а также редуцентов, приспособленных к определенным условиям окружающей среды, главным образом к климатическим особенностям. 
Наземные экосистемы 
При классификации наземных экосистем принято использовать признаки растительных сообществ и климатические признаки, например, лес хвойный, лес тропический, холодная пустыня и т. п. 

Пустыни 
Пустыня - это территория, где испарение превышает количество осадков, причем их уровень составляет менее 250 мм/г. В таких условиях произрастает скудная, разреженная и обычно низкорослая растительность. Преобладание ясной погоды и разреженная растительность способствуют быстрой потере теплоты ночью, накопленной почвой днем. Для пустыней характерно значительное различие между дневной и ночной температурами. Пустынные экосистемы занимают около 16% поверхности суши и расположены практически во всех широтах Земли. 

Тропические пустыни. Это такие пустыни, как Южная Сахара, которые составляют около 20% общей площади пустынь. Температура там круглый год высокая, а количество осадков минимальное. 

Пустыни умеренных широт. Такие пустыни, как пустыня Мохаве в Южной Калифорнии, отличаются высокими дневными температурами летом и низкими - зимой. 

Холодные пустыни. Для них характерна очень низкая температура зимой и средняя - летом. 
Растения и животные всех пустынь приспособлены улавливать и сохранять дефицитную влагу.Медленный рост растений и малое видовое разнообразие делают пустыни весьма уязвимыми. Уничтожение растительности в результате выпаса или езды вне дорог ведет к тому, что на восстановление утраченного требуются десятилетия. 

Травянистые экосистемы 

Тропические травянистые экосистемы или саванны 
Такие экосистемы характерны для районов с высокими средними температурами, двумя продолжительными сухими сезонами и обильными осадками в остальное время года. Они образуют широкие полосы по обе стороны экватора. Некоторые из этих биомов (например, равнина Серенгети в Африке) представляют собой открытое пространство, покрытое только травянистой растительностью. 

Травянистые экосистемы умеренных широт 
Они встречаются во внутренних районах материков, главным образом Северной и Южной Америки, Европы и Азии. Основные типы травянистых сообществ умеренного пояса: высокотравные и низкотравные прерии США и Канады, пампы Южной Америки, вельды Южной Африки и степи от Центральной Европы до Сибири. В этих экосистемах (биомах) почти постоянно дуют ветры, способствуя испарению влаги. Густая сеть корней травянистых растений обеспечивает стабильность почвы до тех пор, пока не начинается ее распашка. Изза высокого плодородия почв высокотравных прерий большая их часть была распахана и занята посевами зерновых и бобовых. В 30е годы XX в. нерациональное землепользование и периодические длительные засухи привели к сильной эрозии почв и сносу пахотного горизонта, известному как "пыльные бури". 

Полярные травянистые экосистемы 
Они расположены в районах, прилегающих к арктическим ледяным пустыням. Большую часть года тундры находятся под воздействием штормовых холодных ветров и покрыты снегом и льдом. Зимы здесь очень холодные и темные. Осадков немного, и выпадают они в основном в виде снега. 

Люди проживают в суровых условиях тундры крайне редко, однако обнаруженные в последнее время запасы нефти и газа обусловливают интенсивное антропогенное воздействие на окружающую природную среду тундры. Медленное разложение органических веществ, малая мощность почвы, низкие темпы прироста растительности делают арктическую тундру одной из наиболее уязвимых экологических систем земного шара. 
Лесные экосистемы 

Влажные тропические леса. Эти леса располагаются в ряде приэкваториальных районов. Они характеризуются умеренно высокими среднегодовыми температурами, которые мало изменяются в течение суток и по сезонам, а также значительной влажностью и почти ежедневно выпадающими осадками. В таких биомах доминируют вечнозеленые деревья, сохраняющие большую часть листьев или хвои круглый год, что обеспечивает непрерывное круглогодичное протекание процессов фотосинтеза. 
Так как климатические условия во влажных тропических лесах практически неизменны, влага и теплота не имеют лимитирующего значения, как в других экосистемах. Основным лимитирующим фактором становится содержание биогенов в часто бедных органическим веществом почвах. 
Зрелый влажный лес имеет максимальное (из всех наземных экосистем) удельное разнообразие видов растений и животных на единицу площади. Большая часть питательных веществ в этой экосистеме сосредоточена в растительном покрове, а не в верхнем горизонте почв, как в большинстве других биомов. Кроме того, при уничтожении растительности маломощные почвы легко сносятся ливневыми дождями. Таким образом, восстановление первичного тропического леса на обширных вырубках практически невозможно. 

Листопадные леса умеренных широт 
Они произрастают в районах с невысокими средними температурами, значительно меняющимися по сезонам. Зимы здесь не очень суровы, летний период продолжителен, осадки выпадают равномерно в течение всего года. По сравнению с тропическими леса умеренного пояса быстро восстанавливаются после вырубки и, следовательно, более устойчивы к антропогенным нарушениям. 

Северные хвойные леса. Эти леса, называемые также бореальными, или тайгой, распространены в районах субарктического климата. Зимы здесь продолжительны и засушливы, с коротким световым днем и небольшими снегопадами. Температурные условия меняются от прохладных до исключительно холодных. В тайге добывают значительную часть деловой древесины, большое значение имеет промысел пушнины. 

Особенности круговорота питательных веществ в лесах разных широт. Круговорот биогенов в холодных районах и тропиках, особенно влажных, существенно различен. У первых большая часть органических веществ и доступных элементов питания постоянно находится в почве или в отложениях, а у вторых значительная часть содержится в биомассе и циркулирует в биоценозе благодаря мутуалистическим отношениям между микроорганизмами и растениями. Сравнение распределения органических веществ в лесах различных широт в пересчете на органический углерод. 

При вырубке леса в умеренном или северном поясе в почве остаются биогены, сохраняется ее структура, и на освобожденной площади многие годы молено получать урожай однолетних культур, проводя вспашку и внося неорганические удобрения. Низкие зимние температуры способствуют удержанию элементов питания в почве и уничтожению "вредителей" и "паразитов". 
Напротив, влажные тропические леса после вырубки теряют способность удерживать питательные вещества и поддерживать их циркуляцию в экосистеме, изначально обеспечивавшей "прямой круговорот" от растения к растению, в значительной степени минуя почву. 

Водные экосистемы 

Тип и количество организмов в водных экосистемах определяются соленостью, глубиной проникновения солнечных лучей, концентрацией растворенного кислорода, доступностью биогенов и температурой. Интенсивность потока солнечного света, необходимого для фотосинтеза, зависит от глубины водоема, следовательно, обилие растительных организмов также меняется с глубиной. В отличие от наземных экосистем в водных экосистемах организмы, нуждающиеся в кислороде, обитают преимущественно вблизи поверхности воды. 

Наибольшей продуктивностью отличаются прибрежные водные экосистемы в связи с поступлением помимо потока биогенов из донных отложений также дополнительного потока, приходящего со стоком с суши. В глубоководных районах продуктивность растительных организмов ограничена недостатком биогенов, концентрирующихся на дне. 

Биоценоз водной экосистемы 
Водные экологические системы имеют ряд принципиальных отличий от наземных, наиболее значимые из них следующие: 

• Во-первых, продуценты наземных экосистем - растения - неразрывно связаны корневой системой с биогенным фондом, формирующимся в результате жизнедеятельности растений. Продуценты водных экосистем - водоросли - разобщены с основным биогенным фондом, формирующимся около дна, будь то океан, озеро, водохранилище или пруд. В освещенном слое, составляющем при самой высокой прозрачности не более нескольких десятков метров, недостаточно биогенных солей и прежде всего фосфатов, что служит лимитирующим фактором развития живых организмов;

• Во-вторых, в наземных экосистемах растения - важнейший компонент питания многих животных, в результате чего распространение последних связано с растительными сообществами.

Таблица 4.

Основные экосистемы Земли

В природе все живые организмы объединены в экосистемы. Они существуют без нашей помощи. Вещества перерабатываются, меняют свои свойства, но не исчезают, а используются снова и снова. Экосистема не нуждается ни в чем, кроме солнечного света. Благодаря этому она может жить очень долго, если ничто не помешает. Растениям не нужно, чтобы их поливали, удобряли или пропалывали. Животным не нужно, чтобы их кормили. Не надо убирать за ними отходы, потому что это делают "мусорщики".

Люди берут из природы то, что им нужно. Иногда после этого экосистема перестает исправно работать. Она уже не может обеспечить своих обитателей всем необходимым.

Ученые стали выяснять, чем больна природа. Они обнаружили, что все живые организмы тесно связаны друг с неживой природой и, кроме того, не могут жить друг без друга. Люди научились определять, чего не хватает в нарушенных экосистемах, и стараются их "вылечить". В данной картинке можно наглядно увидеть круговорот веществ в экосистеме Земли. (рис.4)

рис.4. Круговорот веществ в экосистеме Земли.

Тема 2.3.Учения о биосфере, биосфера как глобальная экосистема, основные свойства биосферы, эволюция биосферы

Концепция биосферы. Термин «биосфера» ввёл в науку в 1875 году геолог и общественный деятель из Австрии Эдуард Зюсс. Наличие биосферы - важнейшая и уникальная особенность Земли как планеты. Оболочка биосферы, её состав, строение и функционирование существенно обусловлены деятельностью живых организмов. Первоначально представления о биосфере как общности живых организмов на Земле складывались в географии и геологии. В зависимости от воззрений того или иного представителя различных наук понимание биосферы приобрело некую двойственность: с одной стороны это некая данность – современный покров воды и суши с установившимися свойствами саморегуляции и устойчивости; с другой стороны – это длительное время развивающаяся и открытая система взаимодействующих биотических и абиотических факторов геосфер и космоса, в ходе эволюции которых сформировались и многократно перестраивались механизмы саморегуляции и устойчивости (В.Е. Соколов).

Развёрнутое учение о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. Важнейшей частью этого учения являются представления о возникновении и развитии биосферы, о роли живых организмов на планете.

Биосфера - это глобальная экосистема, активная «оболочка» Земли, состав, строение и энергетика которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов - биотой системы. Экологическая концепция биосферы сложилась позднее геолого-геохимической, после того, как от биосферной миграции элементов (по Вернадскому) произошёл переход к представлению о глобальном биотическом круговороте, а затем и к биотической регуляции природной среды.

Глубокая экологическая интерпретация биосферы принадлежит советскому зоологу Владимиру Николаевичу Беклемишеву, рассматривавшему биоту биосферы как единый организм. Биолог и генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский предлагал говорить о биосфере в узком (подразумевая глобальную совокупность организмов) и широком (рассматривая область распространения жизни) смысле. Эволюции биосферы посвящен ряд работ Михаила Михайловича Камшилова, Георгия Витольдовича Войткевича, Михаила Ивановича Будыко и других учёных.

Структура и функции биосферы. Многие вопросы, касающиеся появления и развития жизни на Земле до сих пор остаются без ответа. Около 3-3,5 млрд лет назад в ходе эволюции материи на Земле возникла жизнь, и началось развитие биосферы, её возраст как целостной системы оценивается в 1 млрд. лет. По новейшим данным масса Земли составляет 6×10²¹ т, объём - 1,083×10¹² км³, площадь поверхности - 510,2 млн. км². По сравнению с массой других геосфер Земли (верхней литосферы, гидросферы и атмосферы) масса всего живого на планете ничтожна и составляет порядка 10¹⁵ кг [1, 6], но благодаря интенсивному обмену веществ представители биосферы за указанный срок тысячекратно (~10³¸10⁴) пропустили через себя всю земную атмосферу, весь объём Мирового океана, бóльшую часть почв, колоссальное количество энергии. Таким образом живое вещество преобразовывало среду обитания . Геологическая роль живой при роды на нашей планете проявляется в ряде биогеохимических функций [7]. Древние микроорганизмы и животные участвовали в создании мощных запасов полезных ископаемых топлив, толщ известня-ков, фосфоритов, скоплений серы, некоторых руд и глинистых пород, содержащих железо, алюминий, марганец и другие металлы.

Таким образом, биота биосферы обладает мощной средообразующей и средорегулирующей функцией.

Биосфера включает твёрдое, жидкое и газообразное вещества и имеет мозаичное строение, в основе которого лежат различные эколо-гические системы - комплексы живых организмов и неорганических соединений, связанных обменом веществ и энергии. Биосфера, по сравнению с другими геосферами, не является сплошной средой и не имеет чётких границ, а живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. В.И. Вернадский считал, что «пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни», определил биосферу как «организованную, определённую оболочку земной коры, сопряжённую с жизнью» и сделал фундаментальное заключение, что «биосфера геологически вечна».

Живые организмы распространены во всех доступных им облас-тях Земли, где сохраняется термодинамическая устойчивость воды и даже в ряде областей с температурой ниже 0º С. Биосфера присут-ствует и на высотах атмосферы, где царят низкая температура и низкое давление и в глубинах океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Тем не менее, активное функционирование и продуктивность совре-менной биосферы более чем на 98 % сосредоточены в относительно тонком поверхностном слое суши (условно - от кончиков корней до верхушек деревьев) и фотическом (хорошо освещаемом солнцем) слое гидросферы. Жизнь океанских глубин обязана своим богатством поверхностному фитопланктону и лишь отчасти хемоавтотрофам дна.Как любая экосистема, биосфера состоит из абиотической и биотической частей (рис. 5.).

Абиотическая (неживая) часть представлена:

• почвой и подстилающими её породами до глубины, где в них ещё есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства;

• атмосферным воздухом до высот, на которых возможны ещё проявления жизни;

• водной средой океанов, рек, озёр и т.п.

Биосфера

Абиотическая часть

Биота

Почва

Живые орга-

низмы

Воздух

Водоёмы

Рис.5. Структура биосферы

Биотическая (живая) часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь - биогенный ток атомов, осуществляемый организмами посредством своей жизнедеятельности (дыханием, питанием и размножением) и, по сути, являющийся обменом веществ между всеми частями биосферы.

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:

1. стремление к максимальному проявлению - к «всюдности» жизни;

1. обеспечение выживания организмов (что увеличивает саму био-генную миграцию).

Эти закономерности проявляются, прежде всего, в стремлении организмов захватить все мало-мальски пригодные к их жизни пространства, создавая экосистему или её часть, при этом любая экосистема, в том числе и биосфера, имеет свои границы. «Всюдность» жизни в биосфере обусловлена потенциальными возможностями приспособляемости живых организмов, которые постепенно захватив моря и океаны вышли на сушу и, по мнению В.И. Вернадского этот процесс продолжается.

Выживаемость организмов поддерживается также существованием биогенного тока атомов везде, где бы ни было их местообитание, благодаря наличию почв. Почва - важнейший компонент биосферы, оказывающий наряду с мировым океаном решающее влияние на всю

глобальную экосистему, поскольку именно почвы обеспечивают питание растений, которые кормят весь мир гетеротрофов.

При общем рассмотрении биосферы, как глобальной планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о её живом веществе, как о некой живой массе планеты.

Согласно учению В.И. Вернадского биосфера слагается из следующих категорий субстанций:

• живое вещество (совокупность всех живых организмов),

• биогенное вещество (различные формы мёртвой органики),

• биокосное вещество (смеси предыдущих с минеральными породами абиогенного происхождения),

• косное вещество (горные породы и минералы, никак не связанные с деятельностью живых организмов),

• радиоактивное вещество,

• вещество космического происхождения (метеориты и др.), рассеянные атомы.

Все эти типы веществ геологически связаны между собой . Масса мало преобразованной мёртвой органики - детрита в почве и донных отложениях (гумус, сапропель, торф, лесная подстилка, мёртвые растения и животные, растворённая органика) - в несколько раз превышает массу живого вещества. Современные теоретические подходы вносят поправку в представления о структуре и функциях биосферы, исключая из её состава компоненты природы сложившиеся и захороненные в геологическом прошлом (уголь, нефть, нефтеносные сланцы и др.).

Химический состав живого вещества подтверждает единство природы - оно состоит из тех же химических элементов, что и неживая природа, отличаясь лишь соотношением элементов и строением молекул. Тем не менее, живое вещество является высшей формой организации материи. Оно существует всегда дискретно, т.е. в форме обособленных друг от друга тел, имеющих упорядоченную трёхмерную структуру, специфичную для каждого вида, потребляя и преобразуя различные виды энергии (механическую, электромагнитную, тепловую и др.). К тому же живому характерна способность к росту и размножению.

Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые в настоящее время участвуют в природном биотическом круговороте.

В процессе эволюции биосфера неоднократно переживала катастрофы. Каким же путём пойдёт дальнейшее развитие человечества и биосферы в целом? Поскольку роль человека в преобразовании планеты колоссальна, то именно он должен взять на себя ответственность за сохранение и устойчивое развитие биосферы. В идеале высшей стадией развития биосферы является ноосфера. Это стадия наступает, когда разумная деятельность человечества становится главным определяющим фактором развития биосферы. По утверждению Вернадского «биосфера перейдет, так или иначе, рано или поздно в ноосферу …».

Биогеохимические циклы в биосфере. Согласно современным представлениям (синергетики) для самоорганизации столь сложной системы как биосфера, она должна постоянно подпитываться энергией и веществом.

Энергию биосфера получает от Солнца, вещество - из окружающей среды. Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий на 72 % из водорода и на 28 % из гелия. Энергия Солнца излучается в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и других диапазонах электромагнитных волн. Благодаря этому излучению образуются орга-нические вещества, которые поддерживают жизнь в каждом из нас.

Любые элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, называются питательными веществами. Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют более 95 % массы всех живых организмов.

Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называются микроэлементами. К ним относят, железо, медь, цинк, хлор, йод и др. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. Однако они могут переходить в другие формы, доступные живым организмам. Переход питательных элементов от неживой природы к живым организмам и обратно происходит в биогеохимических круговоротах.

Таким образом, жизнь на Земле зависит главным образом от двух фундаментальных процессов. Во-первых, это однонаправленный поток

высококачественной энергии, который исходя от Солнца, проходит через вещества и живые организмы, затем передаётся в атмосферу и в конечном итоге излучается обратно в космос в виде низкокачественного тепла. Второй процесс - это круговорот в биосфере химических веществ, необходимых для живых организмов. Причём, нужно отметить, что антропогенная деятельность существенно изменяет естественную скорость последнего.

Тема 3. Учение В.И. Вернадского о ноосфере

Академик Владимир Иванович Вернадский - великий русский ученый, естествоиспытатель и мыслитель, создатель новых научных дисциплин, учения о биосфере, учения о переходе биосферы в ноосферу.

По мнению В.И. Вернадского, основные предпосылки создания ноосферы сводятся к следующему.

1) Человечество стало единым целым. Мировая история охватила как единое целое весь земной шар, совершенно покончила с уединенными, мало зависимыми друг от друга культурными историческими областями прошлого. Сейчас «нет ни одного клочка Земли, где бы человек не мог прожить, если б это было ему нужно».

2) Преобразование средств связи и обмена. Ноосфера - это единое организованное целое, все части которого на самых различных уровнях гармонично связаны и действуют согласованно друг с другом. Необходимым условием этого является быстрая, надежная, преодолевающая самые большие расстояния связь между этими частями, постоянно идущий материальный обмен между ними, всесторонний обмен информацией.

3) Открытие новых источников энергии. Создание ноосферы предполагает столь коренное преобразование человеком окружающей его природы, что ему никак не обойтись без колоссальных количеств энергии.

4) Подъем благосостояния трудящихся. Ноосфера создается разумом и трудом народных масс.

5) Равенство всех людей. Охватывая всю планету как целое, ноосфера по самому своему существу не может быть привилегией какой-либо одной нации или расы. Она дело рук и разума всех народов без исключения.

6) Исключение войн из жизни общества. В наше время война, угрожая самому существованию человечества, встала как самое большое препятствие на пути к ноосфере. Отсюда следует, сто без устранения этой преграды достижение ноосферы практически невозможно и, напротив, уничтожение угрозы войны будет означать, что человечество сделало крупный шаг к созданию ноосферы.

Ноосфера, по мнению Вернадского, - это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая на научных основаниях.Ноосфера является результатом действия слившихся в единый поток двух величайших революционных процессов современности: в области научной мысли, с одной стороны, и социальных отношений - с другой. Поэтому создание ноосферы возможно лишь как следствие прочного союза тех сил, которые являются основой этих процессов, т.е. союза науки и трудящихся масс.

По мысли В.И. Вернадского, ноосфера - это гармоническое соединение природы и общества, это торжество разума и гуманизма, это слитые воедино наука, общественное развитие и государственная политика на благо человека, это - мир без оружия, войн и экологических проблем, это - мечта, цель, стоящая перед людьми доброй воли, это - вера в великую миссию науки и человечества, вооруженного наукой.

Оценивая роль человеческого разума и научной мысли как планетарного явления В.И. Вернадский пришел к следующим выводам:

1. Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет.

2. Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

3. Это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс.

4. А так как среда жизни есть организованная оболочка планеты - биосфера, то вхождение в ходе ее геологически длительного существования нового фактора ее изменения - научной работы человечества - есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние - в ноосферу.

5. В переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрывается перед нами «закон природы». Новые науки - геохимия и биохимия - дают возможность выразить некоторые важные черты процесса математически.

В связи с развитием производственных сил возникают новые по качеству круговороты вещества в биосфере по пути превращения ее в ноосферу. Основные их признаки заключаются в следующем.

1) Возрастание механически извлекаемого материала земной коры - рост разработки месторождений полезных ископаемых.

2) Происходит массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох.

3) Процессы в антропогенной биосфере приводят к рассеиванию энергии, а не к ее накоплению, что было характерно для биосферы до появления человека.

4) В биосфере в массовом количестве создаются вещества, ранее в ней отсутствовавшие, в том числе чистые металлы.

5) Появляются, хотя и в ничтожно малых количествах трансурановые химические элементы (плутоний и др.) в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Совершается освоение ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер.

6) Ноосфера выходит за пределы Земли в связи с прогрессом научно-технической революции.

В связи с потребительским отношением к природным ресурсам и накоплением отходов производства антропогенная нагрузка на биосферу быстро возрастает и приближает биосферу к критическому состоянию. Естественно, что возникает проблема ограничения антропогенных воздействий, которая в наши дни становится чрезвычайно актуальной. Это осознается научной общественностью и многими политическими деятелями.

В связи с возрастанием антропогенной нагрузки на биосферу возникают многочисленные проблемы, которые предстоит решить в ближайшем будущем во избежание роковых последствий. Это чрезвычайно важная задача, решение которой потребует больших усилий со стороны человеческого разума, привлечения ученых в области естественных и гуманитарных наук.

Концепция ноосферы отражает новый, объективно происходящий в мире, стихийный процесс перехода биосферы в новое эволюционное состояние - ноосферу под влиянием социальной научной мысли и труда человечества. Этот процесс, относящийся к началу эпохи НТР, предопределен возникновением и резким ускорением научно-технического прогресса в ХХ веке на большей части Земли.

Главным социальным двигателем перехода биосферы в ноосферу в современный период, согласно предвидениям В.И. Вернадского, служит резко возросшая творческая активность народных масс, стремление их к получению максимального научного знания, участия в общественной жизни и управления государством.

Концепция ноосферы в качестве основополагающего условия ее создания и проявления выдвигает отсутствие разрушительных войн между народами.

4. Заключение

Основной причиной экологического кризиса является отсутствие знаний о законах существования биосферы, а так же нежелание считаться с этими законами. У большей части населения планеты сформировано мировоззрение потребителей: «Природа дает – мы берем». Принцип «человеческой исключительности» прочно укоренился в наших умах. Широко распространенный тип экологического сознания, базирующийся на «исключительности человека», получил назва-ние антропоцентрического. Основными положения антропоцентризма являются:

• высшую ценность представляет человек: лишь он самоценен, все остальное в природе ценно лишь постольку, поскольку оно может быть полезно человеку; природа является собственностью человечества;

• иерархическая картина мира: на вершине природы стоит человек, несколько ниже - вещи, созданные человеком и для человека, еще ниже располагаются природные объекты;

• целью взаимодействия человека с природой является удовлетворение тех или иных прагматических потребностей;

• характер взаимодействия с природой определяется своего рода «прагматическим императивом», т. е. правильно и разрешено то, что полезно человеку;

• этические нормы и правила действуют только в мире людей и не распространяются на взаимодействие с миром природы;

• дальнейшее развитие природы мыслится как процесс, который должен быть подчинен процессу развития человека.

Следует отметить, что практически на всех этапах развития человеческой цивилизации передовыми учеными подчеркивалась опасность развития и господства антропоцентризма. Например, К. Маркс писал: «Человеческие проекты, не считающиеся с великими законами природы, приносят только несчастье».

Стратегия преодоления экологического кризиса должна опираться не только на научно-техническую и правовую составляющие. Проблема сложна и многогранна, решать ее надо всему человечеству ком-плексно, начиная с семьи, образовательных учреждений, заканчивая наукой, государственными и общественными структурами. Необходимо сформировать население с экоцентричным мировоззрением. Выделяют следующие характеристики экоцентризма:

• высшую ценность представляет гармоничное развитие человека

• природы: человек является не собственником природы, а ее составной частью;

• целью взаимодействия с природой является максимальное удовлетворение, как потребностей человека, так и потребностей всего природного сообщества;

• характер взаимодействия с природой определяется своего рода «экологическим императивом»: правильными являются только те действия и поступки, которые не нарушат природное равновесие;

• этические правила и нормы равным образом распространяются как на взаимодействие между людьми, так и на взаимодействие с миром природы;

• развитие природы и человека мыслится как процесс коэволюции, взаимовыгодного единства.

Сформировать человека с новым типом мировоззрения можно, только реализуя грамотную политику в области экологического образования и просвещения.

Экологическое образование и воспитание представляют собой целенаправленно организованный, планомерно и систематически осуществляемый процесс овладения экологическими знаниями, умениями и навыками, направленный на формирование активной природоохранной позиции. По всему миру создан Межведомственный совет по экологическому образованию. Высшей стадией экологизации сознания является экологическая культура, под которой понимают весь комплекс навыков бытия в контакте с окружающей природной средой. Сохранение Земли требует участия каждого из нас. Оглянитесь вокруг, проанализируйте, что происходит в окружающей Вас среде. Посмотрите на окружающие Вас вещи другими глазами. Станьте экологически информированными. Совершенно не обязательно приобретать всем без исключения профессию эколога, но знакомиться с информацией экологического характера необходимо. Постарайтесь снизить количество образующихся отходов.

5. Словарь-справочник некоторых терминов по экологии

Абиогенный – abiogenic – процесс, фактор, объект и т.д., происхожде-ние которого не связано с организмами

Азотная кислота – HNO ₃, молекулярная масса 63,016, бесцветная жидкость, сильная одноосновная кислота

Антропогенез – исторический процесс происхождения, возникновения и развития человека; эволюция рода

Аридизация – процесс обеднения растительного покрова, связанный со стойким уменьшением увлажнения

территории, превращением её в аридную зону; опустынивание

Ассимиляция – assumilation – ( от лат. assimilatio - слияние, усвоение,синоним – анаболизм) – усвоение организмом поступающих из окружающей среды веществ в процессе ромта и развития, их упо-добление веществам организма

Биотоп – территория, которую занимает биоценоз

Биоценоз – совокупность совместно обитающих на определённой территории всех живых организмов: растительности, животных и микроорганизмов

ВОЗ – всемирная организация здравоохранения

Генофонд – это вся совокупность генов населения (любого биологического вида), обитающего на конкретной исторически сложившейся территории, а значит, и человеческой популяции

Гербициды – ядохимикаты, предназначенные для уничтожения сорняков, нежелательных растений, которые соревнуются с сельскохозяйственными культурами за получение питательных веществ

Гетеротроф - организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности

Диссимиляция (синоним - катаболизм) – распад сложных органических поступающих веществ в организме, сопровождающийся освобождением энергии, которая используется в процессах жизнедеятельности

Мониторинг - от лат. monitor [монитор] – наблюдающий, предостерегающий, напоминающий, надзирающий

Рекультивация – комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, на улучшение условий окружающей среды

Сукцессия – последовательная смена ценозов, вызванная их несоответствием условиям окружающей среды и ведущая к установлению равновесного соответствия между окружающей средой (биотопом) и совокупностью населяющих её организмов (биоценозом)

Техносфера – « техническая оболочка»; искусственно преобразованное пространство планеты, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и ёё продуктов

Хемоавтотрофы - организмы, которые получают энергию при окисле-нии минеральных соединений. Хемоавтотрофы обнаружены толь-ко среди бактерий, т. е. только среди прокариотных организмов, причем количество их невелико

Экологическая система (экосистема) – единый природный комплекс,образованный живым и организмами и средой обитания

Экосфера – планетарное пространство, в котором происходят современные глобальные экологические процессы, взаимодействие между современной биосферой и техносферой.

ЮНЕП (UNEP) – постоянно действующий орган ООН по окружаю-щей среде со штаб-квартирой в г. Найроби (Кения), утверждён в 1973 г. Занимается разработкой основ и методов комплексного научного планирования и управления ресурсами биосферы.

6. Список использованной литературы:

Основная:

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В.. Экология. Человек-экономика-биота-среда., М., «ЮНИТИ», 2007. 
2. Шилов И.А. Экология. М.: Высшая школа, 2001. 
3. Ильин В.И.. Экология, М., «Перспектива», 2007. 
4. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. М., «ФАИР-ПРЕСС»,2003. 
5. Никаноров А.М., Хорунжая Т.А.. «Глобальная экология», М., ЗАО, «Книга сервис», 2003. 
4. Марфенин Н.Н. Концепция «устойчивого развития» в развитии / Россия в окружающем мире: 2002 (Аналитический ежегодник) // Под общей редакцией: Данилова-Данильяна В.И., Степанов С.А. - М.:Изд-во МНЭПУ, 2002. 
5. Бигалиев А.Б., Халилов М.Ф., Шарипова М.А. Основы общей экологии Алматы, «Қазақ университеті», 2007. 
6. Колумбаева С.Ж., Бильдебаева Р.М. Общая экология. Алматы, «Қазақ университеті», 2006. 

Дополнительная: 
1. Хандогина Е.К, Герасимова Н.А., Хандогина А.В.. Экологические основы природопользования, М., «Форум», 2007. 
2. Вернадский В.И. «Философские мысли натуралиста», М., «Наука», 1988. 
3. Вернадский В.И. «Живое вещество», М., «Наука», 1969 г. 
6. Доклады Министерства охраны окружающей среды РК «О состоянии природой среды РК» 2000-2007 гг. 
7. Гутенев В.В., Денисов В.В., Камышев А.П., Москаленко А.П., Нагибеда Б.А., Осадчий С.Ю., Хорунжий Б.И. Промышленная экология, М., «МарТ», 2007. 
8. Маркович Д. Социальная экология. Москва «РУДН», 1998. 
9. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс Й., Беренс В.В. Ш. Пределы роста. Москва: МГУ, 1991. 
10. Концепция экологического образования Республики Казахстан. Астана, 2002. 
11. Концепция экологической безопасности Республики Казахстан. Астана, 2002. 
12. Доклад конференции ООН по окружающей среде и устойчивому развитию, Рио-де-Жанейро, 1992. Том 1, Нью-Йорк, 1993. 
13. Экологический кодекс РК, Астана 2007 г. 
14. Экология. Под ред. Денисова В.В. Ростов-на-Дону: МарТ, 2002. 
15. Арустамов Э.А., Левакова И.В., Баркалова Н.В. Экологические основы природопользования. М.: 2001. 
16. Ермолаев Б.В. Основные положения о ноосфере. Единство биосферы и человека. – М., 1999.

34