Кафедра сервиса безопасности

Кафедра сервиса безопасности

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры

сервис безопасности

п/п-к  внутренней службы

Балабанов В.А.

«____»______________2012 года

 

Л Е К Ц И Я

по дисциплине «Экология»

 

Тема № 2: «Основы общей экологии».

Занятие 2.1.

Методическая разработка обсуждена

на заседании кафедры

протокол №__ от «___» _____ 2012 г

 

Санкт-Петербург

2012

Цели лекции:

1. Сформировать у обучаемых представление об основных понятиях экологии, её системности.

2. Ознакомить обучаемых с уровнями организации экосистем.

3. Воспитывать чувство ответственности и грамотный подход в решении вопросов экологической безопасности, от чего зависит дальнейшее существование человечества и всего живого на нашей планете.

 

Место проведения: лекционный зал.

Время: 2 часа.

Материальное обеспечение: мультимедийная установка.

Учебные вопросы и расчёт времени

Учебные вопросы	Время, минут
Введение	5
Учебные вопросы:
1. Структура экологии.	20
2. Взаимодействие организма и среды.	30
3. Экосистемный уровень организации организмов.	30
Заключение	5
Итого	90

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология: Учебник для вузов. - Ростов н/Д.: Феникс, 2011.

2. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

 

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ

Введение

 

В теме рассматриваются основные сведения из биологической (общей), или классической экологии.

В целом основная задача лекции сводится к формированию общих основ системного взгляда на природные и техногенные процессы как базы для оптимизации деятельности и поведения человека в окружающем мире с целью поиска путей относительно стабильного, а в дальнейшем и устойчивого развития общества, к чему призвала Конференция ООН по окружающей среде и развитию, состоявшаяся в Рио-де-Жанейро в 1992 году.

На первый взгляд, казалось бы, возможно при знакомстве с экологией как дисциплиной, ограничиться ее прикладными аспектами и прежде всего мероприятиями по оздоровлению среды, которые сводятся в конечном счете к определенной системе технологических требований, запретов и санкций. Однако такой подход недостаточен и односторонен, поскольку не позволяет видеть глубинные причины сложившейся экологической ситуации и тем более обоснованно прогнозировать возможные и часто труднопредсказуемые последствия планируемых или осуществляемых действий, в том числе и с самыми благими намерениями. Поэтому крайне важно рассмотреть основные положения биологической (общей) экологии, которая является теоретической основой для решения проблем рационального природопользования и охраны природы, а также базовой для других, более частных экологических дисциплин.

Экология в течение длительного времени существовала как часть биологии и занималась выяснением взаимоотношений организмов со средой обитания. Под взаимоотношениями при этом понимается как влияние среды на организмы, так и, в не меньшей степени, влияние организмов на среду. Такую двустороннюю связь важно подчеркнуть в связи с тем, что это основополагающее положение часто недоучитывается: экологию сводят только к влиянию среды на организмы. Ошибочность таких положений очевидна, поскольку именно организмы сформировали современную среду.

 

I. Структура экологии.

 

Многогранность проблемы взаимодействия человека с окружающей средой привела к «экологизации» многих естественных, технических и гуманитарных наук.

Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом, психологией и педагогикой.

На стыке экологии с другими отраслями развиваются такие направления как геоэкология, инженерная экология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология, социальная экология, экология человека. Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема.

Геоэкология изучает биосферные оболочки Земли, в том числе подземную гидросферу, как компоненты окружающей среды, минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных процессов. Геоэкологические исследования носят комплексный характер и включают в себя изучение ландшафтов, почв, поверхностных и подземных вод, горных пород, воздуха, растительного покрова. Геоэкология, таким образом, требует интеграции геологии и географии, почвоведения и геохимии, гидрогеологии и гидрологии, горных наук в единую систему знаний о геологической и географической средах как единой геоэкологической среде.

Экология человека - комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как биологической особи (биоэкология человека) и личности с окружающей его природной, социальной и культурной средами. Здоровье людей связано с экологической обстановкой и образом жизни (медицинская экология), на человека оказывает влияние среда морали, воззрений, традиций и трудно уловимой духовности (экология духа).

Прикладная экология представлена комплексом дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеком и природой. Она исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы, формирует экологические критерии и нормативы в промышленности, транспорте и сельском хозяйстве (экология природно-технических геосистем (ПТГС) и сел ь скохозяйственная экология). Инженерная экология изучает законы формирования техносферы и способы инженерной защиты природной среды. Экологический менеджмент изучает управление взаимодействием общества и природы на основе использования экономических, административных, социальных, технологических и информационных факторов с целью достижения планируемого качества (состояния) окружающей среды. Экологическое образование формирует экологическое мышление, под которым понимается состояние человеческого познания и нpавственности, обеспечивающее анализ и последующий синтез взаимосвязанных природных и техногенных объектов и процессов, как основу прогнозирования их развития и приоритетного выбора оптимальных в экологическом отношении решений и действий.

 

С точки зрения временного фактора экология дифференцируется на историческую и эволюционную. Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т.е. различают экологию животных, растений и микроорганизмов. Основной, традиционной частью экологии как биологической науки является общая экология, структура которой представлена в таблице.

Таблица

Классификация факторов

Чаще всего факторы делятся на три группы:

1. Факторы неживой природы (абиотические, или физико-химические). К ним относятся климатические, атмосферные, почвенные (эдафические), геоморфологические (орографические), гидрологические и др.

2. Факторы живой природы (биотические) — влияние одних организмов или их сообществ на другие. Эти влияния могут быть со стороны растений (фитогенные), животных (зоогенные), микроорганизмов, грибов и т.п.

3. Факторы человеческой деятельности (антропогенные). В их числе различают прямое влияние на организмы (например, промысел) и косвенное — влияние на местообитание (например, загрязнение среды, уничтожение растительного покрова, строительство плотин на реках и т.п.).

Современные экологические проблемы и возрастающий интерес к экологии связан с действием антропогенных факторов. К этим факторам организмы часто не имеют приспособительных реакций в силу специфичности их действия либо по той причине, что организмы с ними ранее не встречались, либо в результате того, что их действие превосходит приспособительные возможности организмов. Многие из этих факторов, кроме того, выступают как вредные. Их относят к группе ксенобиотиков (греч, ксенокс — чужой). К последним относятся практически все загрязняющие вещества. В числе быстроизменяющихся факторов большое беспокойство в настоящее время вызывают изменение климата, обусловливаемое так называемым «тепличным», или парниковым эффектом, изменение водных экосистем в результате преобразования рек, мелиорации и т.п.

Интересна классификация факторов по направленности их действия.

- действующие строго периодически (смены времени суток, сезонов года, приливно-отливные явления и т.п.),

- действующие без строгой периодичности, но повторяющиеся время от времени. Сюда относятся погодные явления, наводнения, ураганы, землетрясения и т.п.,

- действующие без строгой периодичности и, кроме того, неопределенно. С факторами такого типа организмы в процессе своей эволюции могли и не встречаться. Сюда относятся антропогенные факторы, наиболее опасные для организмов и их сообществ.,

- факторы направленного действия, они обычно изменяются в одном направлении (потепление или похолодание климата, зарастание водоемов, заболачивание территорий и т.п.).

Из перечисленных групп факторов организмы легче всего адаптируются или адаптированы к тем, которые четко изменяются (строго периодические, направленные). Адаптационность к ним такова, что часто становится наследственно обусловленной. И если фактор меняет периодичность, то организм продолжает ее в течение некоторого времени сохранять, т.е. действовать в ритме так называемых "биологических часов". Такое явление, в частности, имеет место при смене часовых поясов.

Некоторые трудности характерны для адаптации к нерегулярно-периодическим факторам, но организмы нередко имеют механизмы предчувствия их возможности (землетрясения, ураганы, наводнения и т.п.) и в какой-то мере могут смягчать их отрицательные последствия. Наибольшие трудности для адаптации представляют факторы, природа которых неопределенна, к ним организм, как правило, не готов, вид не встречался с такими явлениями и в процессе эволюции. Сюда относится группа антропогенных факторов. В этом их основная специфика и антиэкологичность. Только в отдельных случаях по отношению к таким факторам организмы могут использовать механизмы так называемых преадаптаций, т.е. те адаптации, которые выработались по отношению к другим факторам. Так, например, устойчивости растений к загрязнениям воздуха в какой-то мере способствуют те структуры, которые благоприятны для повышения засухоустойчивости: усиленные покровные ткани листьев, наличие на них воскового налета, опушенности, меньшего количества устьиц и других структур, замедляющих процессы обмена веществ (метаболизм), а следовательно, и отравление организма. Это необходимо учитывать, в частности, при подборе ассортимента видов для выращивания в районах с высокой промышленной нагрузкой, для озеленения городов, промплощадок.

Энергетика экосистем

Живые организмы, входящие в экосистемы, для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза или хемосинтеза. При фотосинтезе связывается только энергия с определенными длинами волн — 380—710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР).

Растения являются первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания. Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспечение (движение, поддержание температуры тела и т.п.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание, с которым в конечном счете связаны все возможности ее высвобождения из химических связей органического вещества. Часть энергии переходит в тело организма потребителя, увеличивая его массу. Некоторая доля пищи не усваивается организмом, а следовательно, из нее не высвобождается и энергия. В последующем она высвобождается из экскрементов, но другими организмами, которые потребляют их в пищу.

Переход энергии с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близким к 10% от энергии, потребленной с пищей. Эта закономерность рассматривается обычно как "правило десяти процентов".

Данное правило надо оценивать как относительное, ориентировочное. Вместе с тем из него следует, что цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4—5. Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной.

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму началам термодинамики. В соответствии с ними энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую (первое начало термодинамики). При этом часть энергии при любых ее превращениях рассеивается (теряется) в виде тепла (второе начало термодинамики). Мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (греч. эн — внутрь; тропе — превращение). Последнюю можно характеризовать и через степень упорядоченности системы. Так, живые организмы и нормально функционирующие экосистемы характеризуются высокой степенью упорядоченности слагающих их элементов. Они сохраняют (поддерживают) определенный уровень энергии и тем самым противостоят энтропии. Мертвый организм характеризуется максимальной неупорядоченностью элементов (структур), в результате чего приходит в равновесие с окружающей его средой (температура его тела выравнивается с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды). Это значит, что организм как система приходит в состояние полной неупорядоченности, максимальной энтропии. Показатель, противоположный энтропии, носит название негэнтропии. Чем выше организованность системы (упорядоченность), тем значительнее ее негэнтропия. Опасно любое вмешательство в систему, которое ведет к снижению ее негэнтропии, а следовательно, устойчивости и способности противостоять внешним возмущениям. Основным свойством нормально функционирующих природных экосистем является способность извлекать негэнтропию из внешней среды (солнечную энергию) и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность.

Деятельность человека, если она превышает определенные пределы, ведет к снижению негэнтропии систем, а следовательно, уменьшает их способность поддерживать себя в устойчивом состоянии вплоть до перехода к полной неупорядоченности (максимальной энтропии) и гибели.

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появления человека они занимали примерно 70% суши, а сейчас — не более 20—23%). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам, уничтожение лесных экосистем в настоящее время, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Не случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные Заявления или Конвенции. Кроме сохранения разнообразия, такие конвенции приняты по сохранению лесов и по предотвращению изменений климата.

Видовая структура экосистем. Под видовой структурой понимается количество видов, образующих экосистему и соотношение их численностей. Точных данных о числе видов, образующих экосистемы, нет. Это связано с тем, что трудно учесть видовое разнообразие, свойственное мелким организмам (особенно микроорганизмам). Но в целом оно исчисляется сотнями и десятками сотен. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп), характерные для экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются, например, экосистемы дождевых тропических лесов. Только число видов растений исчисляется в них сотнями.

Богатство видов зависит также от возраста экосистем. Молодые экосистемы, возникающие, например, на таком изначально безжизненном субстрате, как отвалы пород, извлекаемых из глубинных слоев земной коры при добыче полезных ископаемых, крайне бедны видами. В дальнейшем по мере развития экосистем их видовое богатство увеличивается. Но в хорошо сформировавшихся экосистемах оно может несколько уменьшаться. К этому времени обычно выделяется один или 2—3 вида, которые явно преобладают по численности особей. Например, в еловом лесу — ель, в смешанном — ель, береза и осина, в степи — ковыль и типчак. Эти виды занимают большую часть пространства, оставляя меньше места для других видов.

Виды, явно преобладающие по численности особей, носят название доминант (лат. доминантис — господствующий) Наряду с доминантами в экосистемах выделяются виды- эдификаторы (лат. эдификатор — строитель). К ним относят те виды, которые являются основными образователями среды Обычно вид-доминант одновременно является и эдификатором. Например, ель в еловом лесу наряду с доминантностью обладает высокими эдификаторными свойствами. Они выражаются в ее способности сильно затенять почву, создавать кислую среду своими корневыми выделениями и при разложении мертвого органического вещества образовывать специфические для кислой среды подзолистые почвы. Вследствие высоких эдификаторных свойств ели под ее пологом могут жить только виды теневыносливые и тенелюбивые растений. В то же время под пологом елового леса доминантой может быть, например, черника, но она не является существенным эдификатором.

Видовое разнообразие — очень важное свойство экосистем. С ним, как отмечалось выше, связана устойчивость систем к неблагоприятным факторам среды. Разнообразие обеспечивает как бы подстраховку, дублирование устойчивости. Вид, который присутствует в числе единичных экземпляров, при неблагоприятных условиях для широко представленного вида, в том числе и доминантного, может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое, хотя и с несколько иными свойствами.

Трофическая структура экосистем. Цепи питания. Любая экосистема включает несколько трофических (пищевых) уровней, или звеньев. Первый уровень представлен растениями. Их называют автотрофами (греч. аутос — сам; трофо — пища) или продуцентами (лат. продуцена — создающий). Второй уровень представлен животными организмами. Их называют гетеротрофами (греч. геторос — другой), фитофагами (греч. фитон — растение, фагос — пожирающий) или консументами первого порядка. Третий уровень (иногда четвертый, пятый) представлен хищниками (зоофагами) или консументами второго (третьего, четвертого) порядка. Последний уровень в основном представлен организмами и грибами, питающимися мертвым веществом. Их называют сапрофагами (греч. сапрос — гнилой) или редуцентами (лат. редуцере — возвращать).

Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь. Главное свойство цепи питания — осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии. Важно подчеркнуть, что цепь питания не всегда может быть полной. В ней могут отсутствовать растения (продуценты). Такая цепь питания характерна, как отмечалось выше, для сообществ, формирующихся на базе разложения трупов животных или растительных остатков, например, накапливающихся в лесах на почве (лесной подстилки).

В цепи питания очень часто отсутствуют или представлены небольшим количеством животные (гетеротрофы). Например, в лесах отмирающие растения или их части (ветви, листья и др.) сразу включаются в звено редуцентов, которые разлагают органическое вещество до исходных минеральных веществ и углекислоты, завершая круговорот.

Исходя из положения: разнообразие — синоним устойчивости, можно заключить, что экосистемы с более длинным цепями питания характеризуются повышенной надежностью более интенсивным круговоротом веществ.

 

Продуктивность экосистем

Одно из важнейших свойств организмов, их популяций и экосистем в целом — способность создавать органическое вещество, которое называют продукцией. Образование продукции в единицу времени (час, сутки, год) на единице площади (метры квадратные, гектар) или объема (в водных экосистемах), выраженное в единицах массы (граммы, килограммы, тонны), характеризует продуктивность экосистем. Продукция и продуктивность могут определяться для экосистем в целом или для отдельных групп организмов (растений, животных, микроорганизмов) или видов.

Продукцию растений называют первичной, а животных — вторичной. Наряду с продукцией различают биомассу организма, групп организмов или экосистем в целом. Под ней понимают все живое вещество, которое содержится в экосистеме или ее элементах вне зависимости от того, за какой период она образовалась и накопилась. Биомасса и продукция (продуктивность) обычно выражаются через абсолютно сухой вес.

Нетрудно понять, что величина биомассы экосистем или их звеньев во многом зависит не столько от их продуктивности, сколько от продолжительности жизни организмов и экосистем в целом. Например, большая биомасса характерна для лесных экосистем: в тропических лесах она достигает 800—1000 т/га, в лесах умеренной зоны — 300—400 т/га, а в травянистых сообществах обычно не выходит за пределы 3—5 т/га. В то же время лесные и травянистые (например, луговые) экосистемы в сходных условиях существования по продуктивности могут мало различаться или различаются в сторону большей продуктивности как лесных, так и травянистых сообществ.

Для экосистем, представленных однолетними организмами, их годичная продуктивность и биомасса практически совпадают.

Сотношение биомассы и годичной продукции экосистем можно выразить формулой:

Б = ΣП - ΣД,

где Б — биомасса в данный момент времени, П — годовая продукция, Д — дыхание. Под последним применительно к экосистемам понимается вся сумма живого вещества, отчуждаемого на процессы разложения в результате гибели целых организмов (отпад) или их частей — сучьев, коры, листьев, наружных покровов (опад) и потребление гетеротрофами.

Экологические параметры продуктивности. Продукция и биомасса экосистем — это не только ресурс, используемый в пищу или в качестве различных видов сырья (техническое, топливо и т.п.). От этих показателей в прямой зависимости находится сре-дообразующая и средостабилизирующая роль экосистем. Так, с продуктивностью растений и их сообществ тесно связана интенсивность поглощения углекислого газа и выделения кислорода. Для образования одной тонны растительной продукции (абсолютно сухой вес) обычно поглощается 1,5—1,8 т углекислого газа и выделяется 1,2—1,4 т кислорода. Биомасса, в том числе и мертвое органическое вещество, являются основными резервуарами концентрации углерода. На суше это практически единственный фактор вывода углекислого газа из процессов круговорота на длительное время. Часть этого органического вещества и вовсе исключается из круговорота или, как отмечал В. И. Вернадский, "уходит в геологию".

Примером повышенной продуктивности на стыках экосистем могут служить переходные экосистемы между лесом и полем ("опушечный эффект"), а в водных средах — экосистемы, возникающие на стыках впадения рек в моря, океаны и озера и т.п.

Человек должен стремиться прежде всего сохранить высокопродуктивные экосистемы. Они представляют как бы основной каркас биосферы, и его разрушение связано с наиболее значительными отрицательными последствиями.

 

 

заключение

В лекции были рассмотрены системность и основные понятия экологии, процессы взаимодействия организмов и окружающей среды в экосистемах различного уровня.

Приведенные примеры свидетельствуют, насколько разнообразны взаимосвязи в экосистемах, их зависимость от биотических, абиотических и антропогенных факторов, а также насколько обязателен творческий (системный) подход в каждом конкретном случае, даже при том условии, что выявлены какие-то общие закономерности существования экосистем. Возможности моделирования и создания человеком экосистем во многом зависят не только от биологических свойств видов, но и от условий местоибитания. Несомненна также относительность и необходимость конкретизации таких основополагающих экологических постулатов, как "разнообразие — синоним устойчивости", неизбежность резкого снижения продуктивности экосистем в климаксной стадии, неоднозначность терминов "устойчивость" и "стабильность" и др.

Данный материал является отправной точкой для дальнейшего изучения экологии во всем многообразии ее прикладных аспектов, для понимания путей решения проблем рационального природопользования и охраны природы.

Кафедра сервиса безопасности

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры

сервис безопасности

п/п-к  внутренней службы

Балабанов В.А.

«____»______________2012 года

 

Л Е К Ц И Я

по дисциплине «Экология»