Лекции по "Общей экологии"

Лекция 1

Раздел 1 ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ

Экология - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Термин “экология” (от греч. oikos-дом, logos-наука) впервые введен в 1866 г. немецким биологом Э.Геккелем.

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

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

Задачи экологии весьма многообразны.

В теоретическом плане  к ним относятся:

– разработка общей теории устойчивости экологических систем,

– изучение экологических механизмов адаптации к среде,

– исследование регуляции численности популяций,

– изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

– исследование продукционных процессов,

– исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости,

– моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов-

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

– прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека,

– улучшение качества окружающей природной среды,

– сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов,

– оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.

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

Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего.

ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

В связи  с экспоненциальным ростом численности  человечества (1 млрд.чел. 150 лет тому назад, 6 млрд. чел. в настоящий момент), развитием техники и все большим стремлением к повышению уровня потребления у среднего жителя Земли к концу XX в. возникли предпосылки экологического кризиса, т. е. перехода биосферы к неустойчивому состоянию. В итоге стало ясно, что человечество находится почти у предела допустимой численности и уровня потребления.

Современная кризисная ситуация усугубляется тем, что очень быстро вымирают биологические виды. Искусственно создать среду обитания для человека не удаётся, что подтверждено многочисленными экспериментами в разных странах мира.

СТРУКТУРА ЭКОЛОГИИ

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

В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

-аутэкологию, исследующую  индивидуальные связи отдельного  организма (виды, особи) с окружающей  его средой

-демэкологию или экологию  популяций; в задачу которой  входит изучение структуры и  динамики популяций отдельных  видов. Популяционную экологию  рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;

-синэкологию, т. е. экологию  сообществ;

-экосистемную экологию;

-биосферную экологию.

 

Лекция 2

ОРГАНИЗМ  И СРЕДА ОБИТАНИЯ

Жизнь – активное поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, идущее с затратой полученной извне энергии.

Живой организм – целая биологическая система, состоящая из взаимозависимых и соподчиненных элементов, взаимоотношения которых и особенности строения определены их функционированием как целого. Главные отличия живых организмов –способность к саморегуляции (сохранению строения, состава и свойств) и способность к самовоспроизведению (многократному повторению своих характеристик в поколениях).

Клетка – основная структурно-функциональная единица; живых организмов, элементарная живая система. Она существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы), так и в составе тканей многоклеточных организмов. Лишь вирусы представляю клеточные формы жизни.

Прокариоты (от лат. pro – перед, раньше, вместо и греч. haryon – ядро) – только одноклеточные организмы, не имеющие истинного ядра, ограниченного мембраной. К ним относятся бактерии, включая архе- и цианобактерии. Аналогом ядра служит структура, состоящая из белков, дезоксири-бонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот. Они лишены хлоропластов, митохондрий и аппарата Гольджи. Эукариоты – одно- и многоклеточные организмы, имеющие в клетках истинное ядро. К ним относятся все остальные организмы. Деление на прокариотов и эукариотов характерно и для самых древних организмов.

СОСТАВ  КЛЕТКИ

Живые тела наряду с веществами, распространенными  в неживой природе, содержат множество  веществ, характерных только для  живых организмов.

Биогенные элементы – химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и необходимые им для жизнедеятельности. В составе живого вещества более 70 элементов периодической системы Д. И. Менделеева, причем больше всего (около 98% по массе) в клетках кислорода, водорода и углерода. К числу так называемых «универсальных» элементов (присутствующих в клетках всех организмов) относятся азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий.

Свыше 30 металлов (Al, Fe, Cu, Mn, Zn, Мо, Со, Sr, Se, As и др.) и неметаллов (I, Вr, F, В), содержащихся в клетках  в малых количествах (обычно тысячные доли процента и ниже) и исключительно необходимых для жизнедеятельности клеток, называют микроэлементами. В живых клетках обнаруживают следы практически всех элементов, присутствующих в ОС.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ

Во всех клетках  происходит интенсивное обновление веществ и структур. Так, некоторые клетки человека живут всего один-два дня (клетки кишечного эпителия). Поэтому непременным условием жизни является связь клетки с ОС.

Пластический  обмен (или ассимиляция) и энергетический обмен (или диссимиляция). Совокупность процессов диссимиляции и ассимиляции в ходе которых реализуется связь клетки с окружающей средой, называют обменом веществ или метаболизмом. Обмен веществ – фундаментальное свойство живых организмов.

Пластический  обмен:

1. Биосинтез  белков.

2. Фотосинтез.

3. Хемосинтез

Энергетический  обмен

Энергетический  обмен клетки осуществляется в три  этапа.

Подготовительный  этап – сложные органические соединения распадаются на более простые: белки на аминокислоты, полисахариды на моносахариды и т. п.

Этап неполного окисления (анаэробное дыхание или брожение). Неполному окислению могут подвергаться глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты. При этом главным источником энергии в клетке является глюкоза. При бескислородном окислении одной молекулы глюкозы (процесс гликолиза) из двух молекул АДФ образуются две молекулы АТФ. В процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии.

Этап  полного расщепления (аэробное дыхание) протекает с обязательным участием кислорода. При дыхании последовательно проходит ряд ферментативных реакций. В условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, недоокисленные продукты гликолиза отдают для клетки оставшуюся в их химических связях энергию, которая аккумулируется в АТФ. Запас АТФ в клетке невелик. Так, в мышце запаса АТФ хватает на 20–30 сокращений. Для нескольких тысяч сокращений и работы мышцы часами необходим непрерывный синтез АТФ.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КАТЕГОРИИ ОРГАНИЗМОВ

В общем виде набор взаимодополняющих категорий  представлен продуцентами, консументами и редуцентами.

Продуценты – организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии. Так как продуценты сами производят органическое вещество, их называют автотрофами – самопитающимися, в отличие от всех остальных организмов, которые называют гетеротрофами – питаемыми другими.

В соответствии с источниками  энергии, используемым для синтеза  органического вещества, автотрофы  подраздс ляются на фототрофов (использующих энергию Солнца) хемотрофов (использующих энергию химических связей, высвобождающуюся в процессе окисления минеральных веществ).

Консументы (от лат. konsumo – потребляю) – организм не способные строить свои организмы из неорганических вещее и нуждающиеся в готовой органической пище.

Консументы также подразделяют на сапрофагов (питающихся мертвыми растительными остатками), фитофагов (потребителей живых растений), зоофагов (нуждающихся в живой пище) и некрофагов (трупоядных животных). Кроме того, организмы, питающиеся мертвыми остатками растений и животных – детритом, дополнительно выделяют в группу детритофагов.

Редуценты (от лат. reducere – возвращать) – организмы, использующие в качестве пищи органическое вещество и подвергающие его минерализации. Поэтому данная категория организмов также называется деструкторами, ибо они окончательно разрушают органические вещества до относительно простых неорганических соединений, используемых консументами в качестве пищи. Тем самым осуществляется возврат вещества в начало природной цепи питания.

 

ФАКТОРЫ СРЕДЫ

Среда обитания организма – это совокупность абиотических и биотических условий  его жизни. Свойства среды постоянно  меняются, и любое существо, чтобы  выжить, приспосабливается к этим изменениям. Воздействие среды воспринимается организмами через посредство факторов среды, называемых экологическими.

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

АБИОТИЧЕСКИЕ  ФАКТОРЫ

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

Совокупное  воздействие экологических факторов

Экологические факторы среды  воздействуют на организм одновременно и совместно. Совокупное воздействие  факторов в той или иной мере взаимоизменяет характер воздействия каждого отдельного фактора.

В комплексном действии экологических  факторов среды значение отдельных экологических факторов неравноценно. Среди них выделяют ведущие (главные) и второстепенные факторы.

БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Все живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду или биоту. Биотические факторы – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие, а также на неживую среду обитания.

Главной формой проявления связей одних организмов с другими  служат пищевые взаимоотношения  организмов различных категорий, составляющие основу пищевых (трофических) цепей, сетей и трофической структуры биоты. Кроме пищевых связей, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения.

Формы биотических взаимоотношений

Симбиоз (сожительство). Это форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекают пользу от другого.

1 Кооперация.

2 Межвидовая взаимопомощь.

3 Комменсализм.

4 Мутуализм.

Антибиоз. Форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них испытывают отрицательное влияние, называется антибиозом.

1 Конкуренция.

2 Хищничество.

3 Паразитизм.

Нейтрализм. Взаимонезависимость разных видов, обитающих на одной территории, называют нейтрализмом.

 

 

РЕСУРСЫ СРЕДЫ

Экологические факторы могут выступать как  в качестве ресурсов, так и в  качестве условий среды обитания.

Ресурсы (от франц. ressources – средства, запасы, возможности, источники чего-либо) – это любые источники и предпосылки получения из внешней среды (среды обитания) необходимых для жизнедеятельности организма веществ и энергии, а также их запасы. Поскольку ресурсы характеризуют количественно, то в отличие от условий среды они могут расходоваться и исчерпываться. К ресурсам живых организмов, помимо веществ для построения их тел (пищевой ресурс) и энергии для жизнедеятельности (энергетический ресурс), иногда относят и пространство, если обладание им является необходимым условием жизни организмов.

Природные (естественные) ресурсы  делят на заменимые и незаменимые.

Ресурсы: неисчерпаемые (космос, водные ресурсы планеты, энергия  Солнца, ветра, приливов и отливов), исчерпаемые (возобновимые (травы, животные, минеральные составляющие планеты), относительно возобновимые (чистый воздух, водные ресурсы в регионе, экосистемы), невозобновимые (ископаемые руды, ископаемое топливо, природно-биологические ресурсы, земли в естественном виде)).

ЗАКОНОМЕРНОСТИ  ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ СРЕДЫ НА ОРГАНИЗМЫ

Закон минимума Либиха

Величина  урожая определяется количеством в  почве того из элементов питания, потребность растения в котором  удовлетворена меньше всего.

Уточнения к закону Либиха:

Закон лимитирующих факторов Шелфорда

Гомеостаз (от греч. homoios – тот же, statos – состояние) – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительное динамическое постоянство своей структуры и свойств. Поддержание гомеостаза – непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так целых биологических сообществ и экосистем.

Впервые предположение о  лимитирующем (ограничивающем) влиянии  максимального значения фактора  наравне с минимальным значением было высказано в 1913 г. американским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаментальный биологический закон толерантности: