КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГИИ

Все усилия при воспитании окажутся тщетны,

пока вы не научите ваших

воспитанников любить поле, птиц и цветы.

Д. Рескин

^ 2.1. Предмет экологии

Учение о биосфере послужило научной основой для развития науки экологии - дисциплины, синтезирующей естественные и гуманитарные науки. Восходя из колыбели биологических наук, экология обретает новое мощное направление. Это точная наука, потому как она использует концепции, методы и аппарат математики, физики, химии и других естественных наук. Вместе с тем - это гуманитарная наука, ибо экосистемы, их структуры и функции оказывают важное влияние на человека.

Что же представляет собой экология? Слово "экология" образовано от греческого "ойкос", означающее место обитания, жилище, дом, и "логос" - наука. Все живые организмы, населяющие биосферу нашей планеты, испытывают на себе влияние условий обитания и, вместе с тем, сами воздействуют на окружающую среду. Закономерности существования и развития сообществ растений и живых организмов во взаимодействии с окружающей средой обитания изучаются экологией. Как и другие области знаний, экология развивалась на протяжении всей истории человечества. В древнем Египте сведения об экологических знаниях восходят к источникам, связанным со временем жизни замечательного мыслителя и врачевателя Имхотепа (около 2800-2700 гг. до н.э.). В сохранившихся древнеегипетских папирусах, относящихся к 2500-1500 гг. до н.э., также излагаются мысли экологического характера о жизни, природе и здоровье, о проблемах смерти, которые, по мнению ученых нашего времени, поражают своей исключительно научной точностью и ясностью изложения при отсутствии религиозно-мистических наслоений. Египетская цивилизация на протяжении нескольких тысячелетий жила и творила весело, с подъемом жизненной энергии. Источник жизненных сил и столь долгого процветания Египта таится в отношении египтян к миру и его природе, в их понятиях о совести и душе, о жизни на Земле и судьбах людей в неразрывной связи и гармонии со средой обитания. В другую, более позднюю, эпоху труды Гиппократа, Аристотеля и других древнегреческих философов содержат мысли экологического характера. Однако термин "экология" был предложен немецким биологом Эрнестом Геккелем (ErnstHaeckel) в 1869 г. "Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и, прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт" - писал Э. Геккель в своем труде "Всеобщая морфология организмов" (1966).

В толковом словаре Уэбстера дано определение: "Предмет экологии - это совокупность или структура связей между организмами и средой их обитания". Еще проще экологию определяет наш отечественный энциклопедический справочник (СЭС, 1985): наука об отношениях растительных и животных организмов или сообществ между собой и окружающей средой.

Как научная дисциплина экология имеет более чем вековую историю. Но систематические экологические исследования и экологизация науки и образования были начаты только во второй половине 20-го столетия. Становление экологии и смежных с ней дисциплин связано с именами многих выдающих естествоиспытателей: из зарубежных - Ж.Ламарк, Ж.Бюффон, А.Гумбольдт, Э.Зюсс, Ф.Шеллинг и Г.Гегель, из отечественных ученых - В.Д.Докучаев, К.А.Тимирязев, К.Э.Циолковский, Н.Ф.Федоров, С.И.Вавилов, В.Н.Сукачев, В.И.Вернадский, А.П.Виноградов и другие.

Структура современной экологии в последние годы бурно развивалась. Общая биоэкология расчленилась на аутоэкологию, синэкологию, популяционную, глобальную экологию, биогеоценологию, экологию растений, животных, микроорганизмов, водных организмов. Быстро развивается геоэкология, включающая экологию суши, моря, пресных вод, высокогорий и другие. Экология человека состоит из новых дисциплин: экологии города, народонаселения, личности, человечества, этноэкологии, экологии культуры (последние четыре предмета входят в социальную экологию). Появились и отдельные дисциплины прикладной экологии, в число которых вошли промышленная (инженерная экология), технологическая, медицинская, химическая, сельскохозяйственная, промысловая, рекреационная, геохимическая экология. При этом возникают философские, социальные, экономические, этические и другие аспекты.

Предметом экологии является физиология и поведение отдельных организмов в естественных, природных условиях обитания (аутоэкология), рождаемость, внутривидовые отношения, миграция, смертность (динамика популяций), взаимоотношения между различными видами, потоки энергии и круговорот веществ (синэкология).

Основные методы экологии - это наблюдения, мониторинг, эксперименты в реальных условиях, моделирование процесса в популяциях с помощью вычислительной техники.

^ Экологическим фактором называется элемент среды, оказывающий влияние на живой организм в какой-либо из стадий его индивидуального развития.

Принято классифицировать экологические факторы на биотические (живые) и абиотические (неживые). В настоящее время выделились также антропогенные экологические факторы.

^

Экосистема. Концепция, классификация,

основные понятия

Понятие "экосистема" было введено в 1935 году английским ботаником А.Тенсли, а определенные высказывания о единстве организмов и среды появлялись и раннее в трудах немецкого ученного К. Мебиуса, американского биолога С.Форбса, русских ученых В.В.Докучаева, Г.Ф.Морозова, В.Н.Сукачева.

Экосистема - это основная функциональная система в биосфере, представляющая совокупность сообщества живых организмов и среды их обитания, находящихся в естественной взаимосвязи, обеспечивающей их жизнедеятельность. Различают микроэкосистемы (например, дерево), мезоэкосистемы (луг, лес, озеро и др.), макроэкосистемы (океан, материк), глобальная экосистема (биосфера).

^ Экосистемы классифицируются по функциональным, или структурным, характеристикам, а также исходя из типа растительных или основных признаков ландшафта. Какой-либо традиционной единой классификации типов экосистемы в практике экологических исследований не принято, и это разнообразие подходов полезно.

Приведем примеры. Классификация наземных биомов осуществляется по естественным или исходным признакам растительности, типы водных экологических систем различают по геологическим и физическим признакам. В табл.2.1 приведены шестнадцать основных типов экосистем, представляющих характерную среду развития человеческой цивилизации.

Таблица 2.1

Основные типы природных экосистем и биомов биосферы

(по Ю. Одуму, 1986)

Все экосистемы, включая самую крупную из них - биосферу, представляют собой открытые системы, которые должны получать и отдавать энергию. Это означает, что экосистемы, входящие в биосферу, также открыты для потоков веществ, для перемещения через них (входа и выхода из них) организмов. Из этого вытекает и понятие концепции.

Концепция экосистемы, т.е. система взглядов на экосистему, должна учитывать существование совокупности взаимосвязанных и необходимых для жизнедеятельности энергии и веществ на входе и выходе среды.

Эта особенность показана на рис.2.1 в виде схематической модели круговорота энергии и вещества в экосистеме. Данная модель состоит из биотической (биоценоза) и абиотической (биотоп) части, связанных обменом веществ. В экосистему поступает энергия солнца, газы атмосферы, вода и минеральные вещества почвы. Из нее же выделяются тепло, кислород, углекислый газ, биогенные вещества, переносимые водой, перегной.

ис.2.1. Схема круговорота энергии и вещества в экосистеме

Масштабы изменения среды на входе и выходе зависят от рода переменных и могут очень сильно варьироваться. К переменным такого рода можно отнести размеры системы, интенсивность обмена, взаимодействие или сбалансированность автотрофных и гетеротрофных процессов.

Границы рассматриваемых экосистем могут быть определены как достаточно точно (например, геометрические границы города), так и условно, когда переходы между экосистемами постепенны (например, переход между лесом и степью или между топяным болотом, тростниковым болотом и озером). Поэтому экосистемы отличаются не столько определенными числами и неподвижными границами, сколько средними значениями и границами разброса.

Структура экосистем включает в себя пищевые цепи, которым принадлежит особая роль в экономике экосистем. Эти цепи составляют трофические структуры (от греч. trophy - питание), по которым происходит перенос энергии и круговорот веществ.

С позиции трофической структуры экосистему можно разделить на два яруса, или пласта: 1) верхний - автотрофный (греч. autos - сам, trophies - пища), т.е. самостоятельно питающийся пласт, или "зеленый пояс", включающий растения или их части, и 2) нижний - гетеротрофный (греч. heteros - другой), т.е. питаемый другими пласт, или "коричневый пояс" почв и осадков. Рассматривая же биологическую сущность состава экосистемы, следует выделить: 1) неорганические вещества (C, N, CO2, H2O и др.), входящие в круговорот; 2) органические соединения (белки, углероды, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую физические факторы; 4) проценты автотрофных организмов (зеленые растения, производящие пищу из неорганических веществ); 5) макроконсументы или фаготрофы (от греч. phagos - пожирать) - гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами; 6) микроконсументы - гетеротрофные, в основном бактерии и грибы или осмотрофы (от греч. osmos - толчок, давление).

^ Пищевой цепью называется перенос энергии пищи от ее источника - автотрофов (растений) - через разные организмы путем поедания одних другими. Пищевые цепи так или иначе знакомы каждому из нас: траву поедает корова, мясо которой становится пищей для человека, или другой пример - фитопланктон, живущий от солнечной энергии, становится пищей зоопланктона, последний поедается мелкой рыбой, которую съедает крупная рыбы, ставшая пищей для человека.

Все пищевые цепи входят в круговороты материи, ведущие от продуцентов к диструентам. Представители трофных уровней, представленных выше, связаны между собой односторонней передачей биомассы в цепи питания. Цепи хищников начинаются с продуцентов: клевер - овца - волк; планктонные водоросли - дафния - плотва - щука. Цепи паразитов могут начинаться и с продуцентов (яблоня - щитовка - наездник) и с консументов (овца - муха - кровососка - бактерии - вирусы).

Экология занимается системами различного уровня организации (от организмов до экосистем). Популяция обозначает группы особей различных видов организмов, сообщество включает в себя все популяции данного объекта. Закономерности взаимоотношений организмов и среды их обитания проявляются на уровне особей, биоценоза и биогеоценоза.

Популяция (от лат. populus - народ) - это совокупность организмов одного вида, совместно обитающих и населяющих общую территорию. По Ю.Одуму, популяцию можно определить как любую группу организмов одного вида (или иную группу, внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией), занимающую определенное пространство и функционирующую как часть биотического сообщества. Любая популяция обладает генетическими свойствами, связанными с экологией. Основными характеристиками популяции являются: рождаемость, смертность, плотность, возрастная структура, соотношение полов, биотический потенциал, распределение в пространстве (дисперсия), кривая роста и др.

Популяции организмов, закономерно взаимодействующие между собой в пространстве, представляют собой биоценоз. Термин биоценоз (от греч. bios - жизнь, koinos - общий) впервые введен немецким биологом К.Мебиусом, а в исследованиях американского ученого С.Форбса были заложены основы понятия об экосистеме.

Биоценоз, или сообщество организмов, - это ассоциация взаимодействующих растений и живых организмов в ограниченном пространстве, в котором преобладают определенные виды организмов или физический фактор.

Длительное существование различных видов организмов лежит в основе формирования многовидовых сообществ - биоценозов. Подбор видов в биоценозах не случаен, а определяется возможностью непрерывного поддержания круговорота.

Соответственно, используя термины: совокупность растений - фитоценоз, животных - зооценоз, микроорганизмов - микроценоз, организмов, населяющих органическое жизненное пространство - биотоп.

Экологическая система, или биогеоценоз, представляет собой систему взаимодействия живой (биоценоз) и неживой (косной) природы. Термин "биогеоценоз" введен в науку российским академиком В.Н.Сукачевым, под которым понимается участок биосферы, однородный по топографическим, микроклиматическим, гидрологическим и биотическим условиям.

В состав биогеоценоза входят:

1) растительное сообщество - фитоценоз;

2) животный компонент - зооценоз;

3) микробные биокомплексы - микробоценоз;

4) почва и почвенно-грунтовые воды, которые, взаимодействуя с растениями и микроорганизмами, образуют эдафотоп;

5) косное вещество - неживая природа, образующая экотоп;

6) атмосфера, взаимодействующая с компонентами биогеоцено-за, образует климатоп.

Крупная же биосистема регионального или континентального значения, характеризующаяся определенным типом растительности или спецификой ландшафта, обозначается термином биом.