Информационный материал

ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА.

Уже на заре человечества, в примитивном обществе индивидуум, для того чтобы выжить должен был иметь представление об окружающей природной среде (ОПС), о растениях, которые можно использовать в пищу, животных, которых нужно избегать.

Цивилизация возникла после того, как человек научился изменять среду своего обитания. 10 000 лет назад охотники в результате перепромысла уничтожили крупных травоядных животных: мамонтов, гигантских оленей. Пищевая база людей резко сократилась – возник ПЕРВЫЙ антропогенный экологический кризис. Проблема была решена созданием сельского хозяйства.

Интенсивное сведение лесов в течении 35 веков поставило человечество перед очередным вторым экологическим кризисом. Выход был найден – человечество начало использовать невосполнимые ресурсы – полезные ископаемые. Их интенсивное использование, наступление технической революции, научно-технического прогресса привело к третьему глобальному экологическому кризису – загрязнению ОПС.

Если человек желает в настоящее время сохранить цивилизацию, то он должен иметь полное представление об ОПС.

Организмы населяют поверхность суши, толщу всех вод. Оболочка Земли, в которой поддерживается жизнедеятельность активной биомассы, называетсябиосферой илиэкосферой.

Термин биосфера означает поверхность, населенную жизнью. Этот термин был впервые предложен австрийским ученым Эдвардом Зюссом.

Учение о биосфере развил Вернадский. Он доказал, что биосфера – это оболочка жизни, которая охватывает Тропосферу, Гидросферу, Осадочные породы Земли. Вернадский впервые указал, что огромную деятельность по созданию, поддержанию и преобразованию облика Земли проводили древние организмы и проводят современные организмы.

Для обозначения активной жизни на поверхности Земли предлагались различные термины: эпигемма– оболочка Земли, где взаимодействует растительный мир с почвой и рельефом. фитосфера – совокупность растительного мира.

Наиболее удобен термин экосфера, который был предложен в 1958г. и обозначает совокупность всего живого на Земле в комплексе с его непосредственным окружением. экосфера – это глобальная система, которая объединяет все экологические системы Земли.

Верхняя граница экосферы проходит над поверхностью растительного покрова на суше или над поверхностью моря.

Нижняя граница экосферы в условиях суши определяется глубиной расположения первого водоупорного горизонта. Здесь располагается первый от поверхности горизонт вод. Это грунтовые воды, они размещаются близко к поверхности Земли и активно взаимодействуют с почвой и растительностью.

В почве нижней границей экосферы можно считать максимальную глубину проникновения корней растений и ходов норообитающих животных.

В водной среде нижняя граница экосферы соответствует максимальной глубине сохранения биологической активности в донных осадках.

Экосфера покрывает земной шар непрерывной оболочкой. Ее толщина составляет несколько сантиметров в местах со скудной жизнью, до сотен метров в лесах и тысяч метров в океанах.

Окружающая среда человека состоит из тесно связанных между собой подсистем:

1) собственно природная среда;

2) квазипрродная среда – это природная среда, измененная в результате антропогенной деятельности или вторая природа;

3) артеприродная среда – среда целиком созданная человеком – третья природа.

Рис. 1 Структура среды обитания человека.

природная среда – это окружающая среда человека, все факторы которой имеют чисто природное происхождение, эта среда обладает свойствами саморегуляции и самоподдержания. Эта среда существовала до появления человека, она может обходиться без постоянного воздействия человека, может существовать в условиях отсутствия человека, она сохранится если человек исчезнет с лица Земли.

К факторам природной среды относятся:

1. Энергетические состояния среды: тепловые, волновые, магнитные, гравитационные поля.

2. Химический состав атмосферы.

3. Динамический характер атмосферы - движение воздуха.

4. Водный компонент среды: влажность воздуха, влага земной поверхности, химический состав вод.

5. Химический и физический состав поверхности Земли.

6. Механически характер поверхности Земли: равнинность, холмистость, гористость.

7. Степень сбалансированности климатических компонентов, которые обеспечивают ритм природных условий (ветры, землетрясения, наводнения).

8. Состав биологической части экосистемы (микробиоценозы, фитоценозы, зооценозы).

9. Плотность населения людей и взаимодействие людей как биологических факторов.

Природная среда не имеет видимых следов пребывания человека – это примерно 1/3 территории Земного шара, в т.ч. в Антарктиде почти 100%, в С.Америке 37%, России – 33%, в Австралии, Океании, Африке – 27%, Ю.Америке – 20%, в Азии 13%, в Европе – 3%. Таким образом, природная среда сохранилась там, где она не доступна для преобразования человеком.

Квазиприродная среда (КПС) – это все виды модификации человеком природной среды. Основным свойством КПС является отсутствие способности самоподдержания. Без регулирующего воздействия человека КПС разрушается и постепенно превращается в природную среду. К объектам квазиприродной среды относятся: все культурные растения, дороги без твердого покрытия, культурные растения, искусственные зеленые насаждения, домашние животные.

Расширение КПС требует больших усилий и больших затрат по ее поддержанию. Все это сдерживает развитие человечества в рамках биосферы.

Артеприродная среда – это искусственный мир, созданный человеком. Он имеет особенности: этот мир не имеет аналогов в естественной среде, это преобразованное человеком вещество; этот мир чужд естественной природной среде; этот мир без непрерывного антропогенного обновления полностью разрушается (так как может не включаться в биогеохимические циклы) и постепенно замещается естественной природной средой.

К объектам артеприродной среды относятся: все внутренне пространство работы и жилья; все технологическое оборудование; в) синтетические материалы.

Современный человек окружен в основном квазиприродной и артеприродной средами. Эти среды могут своим воздействием смягчать действие окружающей природной среды (микроклимат жилищ) или полностью заменять своими элементами природную среду (условия подводного обитания, условия космического полета).

Слово экология происходит от греческого слова "ойкос", что означает дом, жилище. В буквальном смысле слова это наука об организмах, которые находятся в себя дома. Экологию определяют как науку о взаимодействии организмов со средой обитания. Экология – наука о структуре и функционировании природных систем. При этом человечество рассматривается как часть природы на земном шаре.

Предметом экологии является совокупность связей и взаимодействие между организмами и средой обитания. Весь объем биологических наук можно подразделить на несколько видов:

1. Фундаментальные науки. Они изучают основные формы жизни и не ограничиваются отдельными группами организмов. К ним относятся морфология, физиология, генетика, теория эволюции.

2. Науки, изучающие свойства (морфология, физиология) отдельных организмов, - это ботаника, зоология, бактериология и др..

Экология – относится к фундаментальным наукам, она изучает все уровни организации жизни.

Основными уровнями организации жизни являются: ген, орган, организм, популяция (это совокупность особей одного вида организмов, обитающих на данной территории и способных свободно скрещиваться друг с другом), сообщество (совокупность популяций всех видов организмов, занимающих данную территорию).

Системы, которые содержат живые компоненты на этих уровнях организации жизни, именуются: генетическая, клеточная, система органов, популяционная система, экологическая система, биосфера (самая крупная экологическая система Земли).

Биосфера включает в себя все живые организмы Земли, которые взаимодействуют между собой и средой планеты (физической и химической).

Современная биоэкология может подразделяться по уровням биологических систем:

Эндэкология – это молекулярная экология, морфологическая экология, физиологическая экология.

Экзоэкология – подразделяется на:

А. Экологию систематических групп: экология микробов, экология растений, экология животных.

Б. Системную экологию, которая включает в себя:

1. аутэкологию, которая изучает экологию индивидов, взаимодействие особи (представителя вида) с окружающей природной средой. При этом определяются пределы устойчивости особи в отношении различных экологических факторов, воздействие ОПС на морфологию, физиологию организмов, поведение особей;

2. демэкологию - проводится изучение экологии малых групп организмов;

3. популяционную экологию - изучается экология популяций;

4. экологию вида - рассматривается взаимодействие с ОПС целого вида организмов (растений, животных);

5. синэкологию - анализируется экология сообществ. Изучается взаимодействие особей всех видов организмов, обитающих на данной территории. Синэкология изучает сообщества с двух точек зрения:

а) статистической– определяется видовой состав группировок сообществ, их численность, пространственное распространение видов;

б) динамической-рассматривается развитие группировок и их изменения, причины этих изменений, обмен веществ и потоки энергии между различными компонентами экосистемы (пищевая цепь, трофический уровень, трофические пирамиды);

6. биоценологию - экологию биоценозов – изучаются совокупности животных, растений, микробов, которые совместно заселяют водоем или часть суши;

7. биосферологию - науку о биосфере в целом;

8. экосферологию – глобальную экологию.

В современной экологии можно выделитьгеоэкологию, которая включаетэкологию сред: атмосферы, гидросферы, литосферы;

географическую экологию - экология тропиков, высокогорья, Крайнего Севера, пустынь, островов;

ландшафтную экологию - экология культурных ландшафтов;

Экологию человека, которая изучает:

1. природную среду обитания,

2. техногенную среду обитания,

3. экологию народонаселения,

4. космическую экологию.

Социальную экологию, которая подразделяется на:

1. экологию личности,

2. экологию социальных групп,

3. экологию человеческих сообществ (экологическая демография),

4. этнографическую экологию,

5. экологию культуры,

6. экологию "духа".

Особое место занимает прикладная экология, которая подразделяется на:

1. экологический мониторинг,

2. промышленное, сельскохозяйственное, промысловое, военное природопользование,

3. Экологию воздействия физических, химических, геохимических, радиоционных факторов,

4. промышленную экологию,

5. технологическую экологию

6. инженерно-строительную экологию,

7. санитарно-производственную экологию,

8. экономическую экологию,

9. экологическую токсикологию,

10.экологию экстремальных ситуаций,

11. сельскохозяйственную экологию,

12. промысловую экологию.

Таким образом, экология – это наука о вещественном и энергетическом взаимодействии всех составляющих биосферу частей, как между собой, так и в целом с окружающей природной средой.

Объектами экологии могут быть особи, малые группы особей, популяции, сообщества, экосистемы, биосфера целиком.

В рамках современного естествознания перед экологией стоят задачи:

1. Исследование закономерностей организации жизни с учетом антропогенного воздействия на природные системы.

2. Создание научной основы эксплуатации минеральных, энергетических, биологических ресурсов Земли с целью сохранения среды обитания человека.

3. Восстановление нарушенных деятельностью человека природных систем – проведение рекультивации земель и водоемов.

4. Регулирование численности популяций и переход от промысла к хозяйствованию.

5. Создание эталонных участков биосферы – заповедников.

6.Организация экологического обучения с целью формирования экологической культуры и ликвидации экологического нигилизма. Целью такого обучения является формирование механизма общественного воздействия на властные и коммерческие структуры, которые препятствуют принятию экологически обоснованных решений.

Предметом экологии являются экосистемы. Основной методологической основой экологии является системный подход.

Системный подход ориентирован на:

1. Изучение характеристик сложноорганизованных объектов;

2. Изучение связей между элементами системы, характером соподчиненности элементов системы;

3. Системный подход включает в себя:

- Определение составных элементов экосистемы;

- Определение объектов окружающей природной среды, взаимодействующих с экосистемой;

- Установление структуры экосистемы, то есть, определение совокупности связей и отношений внутри экосистемы и между экосистемой и ОПС.

- Выявление законов функционирования экосистемы.

Для решения задач, стоящих перед экологией, она имеет свои собственные методы исследований.

Можно выделить три основные группы методов:

1) полевые наблюдения;

2) эксперименты (в лаборатории и в поле);

3) моделирование.

Полевые наблюдения.

Это совокупность методов проведения наблюдения за исследуемой экосистемой. При этом полностью исключаетсялюбой вид вмешательства наблюдателя в функционирование данной системы.

Полевые наблюдения – исторически первый, важнейший прием экологического исследования. Основоположниками сравнительного эколого-географического метода явились Ч.Дарвин, и А.Гумбольт.

Полевые наблюдения решают задачи:

1. Выделение основных типов экосистем.

2. Выявление взаимосвязей экосистем в изучаемых ландшафтах.

3. Характеристика абиотического компонента экосистемы: описание микроклимата; характеристика почвообразующих пород и типа почв; определение характера гидрологического режима.

4. Характеристика биотического компонента экосистемы -

определение видового состава организмов (микробов, растений, животных, населяющих экосистему).

5. Идентификация структуры экосистемы на качественном уровне -

установление характера связей организма с почвой, приземным слоем воздуха, водным компонентом экосистемы.

6. Получение количественных характеристик состава экосистем:

наземные экосистемы -

определение переменных климатических характеристик: температура, важность, концентрации газов;

определение свойств почвы: температура, влажность, концентрации элементов

определение плотности популяций (микробов, растений, животных).

водные экосистемы -

параметры водной массы - температура, соленость, концентрации газов и элементов, рН.

7. Количественная идентификация структуры экосистемы (количественное описание функциональных связей между компонентами экосистемы и внешним воздействием на экосистему).

В ходе таких наблюдений можно изучить зависимость интенсивности фотосинтеза от освещенности, температуры, влажности, обеспеченности биогенными элементами; зависимость скорости выедания растительности животными от запасов фитомассы, метеоусловий, плотности популяций фитофагов; зависимость скорости испарения воды из почвы от метеоусловий, свойств почвы, характера растительности.

Эксперимент.

В условиях эксперимента наблюдение осуществляется за экосистемой, в которой проведены изменения.

Если регистрация динамики численности оленей – это наблюдение,

то регистрация динамики численности оленей в условиях устранения из экосистемы хищников (волков) – это эксперимент.

Эксперименты различаются по уровню контроля над объектом наблюдения. В лабораторных условиях можно контролировать большинство экологических факторов, т.о. эксперименты даже в лаборатории являются частично контролируемыми.

Эксперименты в поле чаще всего являются не контролируемыми. В результате таких экспериментов могут возникать предвиденные последствия и непредвиденные последствия.

Классическим примером полевых экспериментов с непредвиденными последствиями явилась интродукция кроликов и лисиц в Австралию.

Экологическое наблюдение и экологический эксперимент дают эффективные результаты в сочетании с методом моделирования.

Моделирование – это последовательное сочетание построения модели, ее проверки, испытания модели и изучение и оценка полученных на модели данных.

Стратегия моделирования состоит в создании модели процесса путем его изучения и упрощения.

Модель процесса должна иметь сходство с оригинальным процессом; должна быть достаточно сложной и возможной для изучения; результаты должны согласовываться с оригинальным процессом.

Модели оцениваются по трем основным свойствам:

- реалистичности – это степень соответствия математических утверждений модели существующим представлениям о процессе;

- точности – способность модели количественно характеризовать изменения в моделируемой системе;

- общности – диапазону приложения модели, т.е. числу ситуаций, в которых модель может работать.

Для экологического моделирования применяют две различных стратегии: