Структура современной экологии

Современная экология – это фундаментальная наука о природе, являющаяся комплексной и объединяющая знания основ нескольких классических наук – биологии, геологии, географии, климатологии, ландшафтоведения… Согласно основным положениям науки – человек – это часть биосферы, как представитель одного из биологических видов, и так же как и другие организмы не может существовать без биоты.

В наше время термином экология всё чаще обозначают совокупность взаимоотношений человека, природы и общества. Рассматривая структуру современной экологии можно выделить три основные ветви.

Первая ветвь – общая экология или биоэкология – это изучение взаимоотношений живых систем разных рангов (организмов, популяций и экосистем) со средой и между собой. Эту часть экологии подразделяют на разделы:

Аутэкологию, исследующую закономерности взаимоотношений организмов отдельного вида со средой обитания;

Популяционную экологию или демэкологию, занимающуюся отношениями между организмами, которые относятся к одному виду и живут на одной территории (стая волков, березовая роща, стая птиц) т. е. внутри популяции.

Синэкологию, комплексно изучающую группы, сообщества организмов в природных системах (экосистемах).

Экосистемную и биосферную экологию.

Вторая ветвь – геоэкология – изучение геосфер, их динамики и взаимодействия, геофизических условий жизни, факторов (т. е. ресурсов и условий) неживой окружающей среды, действующей на организм.

Экологию делят на географическую и ландшафтную, объектами изучения которой являются крупные геосистемы; глобальную экологию – учение о биосфере Земли.

Третья ветвь – прикладная экология. Это аспекты инженерной, социальной, экономической охраны среды обитания человека, проблем взаимоотношений природы и общества, экологических принципов охраны природы.

Прикладная экология базируется на системе законов, правил и принципов экологии и природопользования. Она изучает механизмы разрушения биосферы человечеством и способы предотвращения этого процесса. Разрабатывает принципы рационального природопользования.

Инженерная экология – большой раздел экологии, рассматривающий воздействие промышленности на природу и наоборот, влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов.

Экология человека – это комплексная дисциплина, исследующая общие законы взаимодействия биосферы, влияние природной среды на человека и группы людей.

1.2. Факторы среды и общие закономерности их действия на организм

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

Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных взаимодействиях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей среды или, среды обитания, влияющей на состояние и свойства организмов.

Среда – одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организмы элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, всё то, среди чего он живёт и с чем непосредственно взаимодействует.

Организмы находятся в состоянии постоянного обмена с окружающей средой и подвергаются воздействию самых разнообразных факторов. Экологические факторы – это элементы природной среды, взаимодействующие с организмами и способные оказывать на них прямое влияние. По их многообразию воздействия на организм выделяют три группы: абиотические, биотические и антропогенные. Каждый из них имеет качественную специфику, влияет на какие-то процессы в организме и реакция во многом определяется интенсивностью воздействия фактора, то есть дозой, количеством.

В естественных условиях обитания экологический оптимум не представляет собой сочетание всех факторов в оптимальном выражении. При комплексном воздействии устанавливаются особые взаимодействия, когда влияние одного из факторов в какой-то мере изменяет (усиливает или ослабляет) характер воздействия другого. Но на уровне современных знаний не всегда возможно объективно оценить влияние фактора.

Закон минимума Юстаса фон Либиха (1840) – Величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего.

Согласно закону толерантности (или закону В. Шелфорда): любой живой организм имеет определенные, эволюционно сформированные и унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к каждому экологическому фактору. Второе название: закон лимитирующего фактора. – Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе – к его гибели. Поэтому экологический фактор уровень, которого приближается к любой границе диапазона выносливости организма или выходит за эту границу, называют лимитирующим фактором.

Многообразные экологические факторы среды разделены на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы – это факторы неорганической среды, неживой природы (греч. а – отрицание, bios – жизнь). Они включают климатические, эдафические и химические факторы. В процессе эволюционного развития каждый вид организмов приспособился к определённым условиям и пределам колебаний факторов.

Климатические факторы – наиболее важные для жизни животных и растений. К ним относятся солнечная энергия, температура, влажность, движение воздуха, давление и др. Солнечная энергия поступает в виде электромагнитных волн. Спектр солнечных лучей включает видимую часть (48 %), инфракрасные лучи (45 %) и ультрафиолетовые лучи (7 %), которые различаются по биологическому действию.

Ультрафиолетовое излучение имеет коротковолновую (200 – 280 нм) часть спектра, которая активно адсорбируется кожей, и зону длиной волны (до 380 нм).

Мягкое ультрафиолетовое излучение обладает слабым деструктивным действием, у людей может вызвать ожоги и адаптацию в форме загара, при этом в коже накапливается пигмент меланин и синтезируется витамин D, регулирующий обмен кальция и фосфора в организме. Действие излучения зависит от дозы: сильное облучение вредно для организма.

От интенсивности света, особенно видимой части спектра, зависит интенсивность фотосинтеза, деление клеток, рост и развитие растений, сроки их цветения и плодоношения. Видимый диапазон света вносит вклад в тепловой баланс, служит сигналом для начала миграционных процессов и периодов размножения у животных. Главная экологическая роль света состоит в осуществлении биологических ритмов различной продолжительности.

Температура напрямую связана с солнечной энергией. Об этом свидетельствует относительная скудность жизни пустынь и арктических областей. У организмов, обитающих в этих широтах, выработались соответствующие адаптации к изменению температуры.

Изменение температуры обуславливает соответствующие изменения скорости обменных реакций. Все химические процессы, протекающие в организме, находятся в зависимости от температуры. Это важный ограничивающий фактор распространения организмов. Верхний порог жизни теоретически определяется температурой свёртывания белков. Обезвоживание организма повышает этот порог. На этом основана высокая термоустойчивость цист, спор, семян. У большинства животных тепловая гибель наступает раньше, чем начинают коагулировать белки (42 – 43 °С).

Нижний температурный порог жизни также вызывает нарушения метаболических и регуляторных процессов у организмов. Так, у насекомых охлаждение подавляет механизмы, обеспечивающие приток кислорода к клеткам.

В зависимости от характера теплообмена организмы делятся на:

Пойкилотермные – организмы температура тела, которых меняется в зависимости от температуры окружающей среды (растения, беспозвоночные, рыбы, рептилии…).

Гомойотермные – организмы способные поддерживать температуру тела постоянную, не зависимо от температуры окружающей среды (млекопитающие и птицы).

Гетеротермные – в период активности обладают постоянной температурой тела, а в период отдыха особенно зимней спячки температура их тела снижается (медведи, суслики, барсуки…).

Стенотермные – организмы, которые могут существовать при определённых ограниченных колебаниях температуры (глубоководные организмы, растения высокогорий).

Влажность для живых организмов – необходимое условие жизни. Вода входит в состав клеток и тканей любого организма, она физиологически необходима. При дефиците влаги у растений и животных образовались разнообразные механизмы защиты от обезвоживания. Так, у растений степей и пустынь сильно развита корневая система (у верблюжьей колючки до 16 м), имеется высокое осмотическое давление клеточного сока (60 – 80 атм.), на листьях развивается восковой налёт и опушение, уменьшающие испарение воды. А у животных пустынь наблюдается уменьшение потовых желез и характерно использование ими метаболической воды, образующейся при окислительных реакциях (107 г воды на 100 г жира); они имеют некоторые особенности образа жизни: преимущественно ночной, а также характерны миграции, летние спячки, впадение в состояние оцепенения.

Основным источником влаги для наземных организмов являются осадки. Они неравномерно распределены на земном шаре – в зависимости от физико-географических условий.

Влажность воздушной среды обычно измеряется в показателях относительной влажности, являющихся процентом реального давления водяного пара от давления насыщенного пара при той же температуре.

Воздух – важнейший абиотический фактор. Для организмов важен газовый состав, движение воздуха и давление. Важнейшим составляющим является кислород, который необходим для окисления веществ в организме и участия в энергетическом обмене. Углекислый газ – продукт дыхания, брожения и гниения, а также пожаров и вулканизма. При повышении его концентрации до 0,4 % интенсивность процесса фотосинтеза увеличивается, при большей концентрации происходит спад фотосинтеза и дыхания, что используется при хранении овощей и фруктов. По оценкам разных авторов фиксация углекислого газа составляет от 40 до 60 млрд. т/год. Для газообмена у организмов имеется множество приспособлений. Например, у животных и человека в условиях высокогорья увеличивается в крови количество эритроцитов, которые снабжают клетки организма кислородом.

Ветер способствует перераспределению воздушных масс с различной температурой, влажностью и химическим составом.

Большое значение для живых организмов имеют такие факторы как давление (нормальное давление 760 мм рт. ст.) и ионизирующее излучение (это излучение, образующее пары ионов при прохождении через вещество, имеет два источника – космическое и радиоактивные изотопы и элементы в земной коре). Колебания атмосферного давления играет важную роль в формировании погодных условий.

Эдафические факторы (греч – edaphos – почва, т. е. почвенные) включают совокупность физико-механических и химических свойств почвы: механический состав, плотность, влагоёмкость, воздухопроницаемость, температуру, состав химических элементов. Важнейшим свойством почвы является её плодородие, зависящее от наличия гумуса.

Химические факторы учитывают химические компоненты среды: газовый состав атмосферы, солёность воды, кислотность воды и почвы.

Газовый состав атмосферы по своим химическим особенностям имеет первостепенное значение для существования живых организмов. Кислород обеспечивает процессы дыхания и окисления, но он не является лимитирующим фактором развития для наземных организмов вследствие высокого содержания в воздухе. В водной среде количество растворённого кислорода подвержено сильным колебаниям и может являться ограничивающим фактором для некоторых видов.

Азот играет роль важнейшего биогенного элемента, участвующего в образовании белковых структур организмов. Углекислый газ удерживает тепло у поверхности Земли, его недостаток тормозит процессы фотосинтеза, а избыток вызывает интоксикацию.

Для обитателей водной среды одним из основных факторов является солевой состав воды, что определяется наличием растворённых карбонатов, сульфатов, хлоридов. Пресная вода содержит в основном карбонаты в небольшом количестве. В морских водах растворены преимущественно хлориды и частично сульфаты. Количество видов, способных существовать как в пресной, так и солёной воде, очень ограничено.

Кислотность воды и почвы зависит от концентрации ионов водорода. Изменение кислотности обуславливает гибель организмов или, что случается реже, замещение одних видов другими.

Биотические факторы – это внутривидовые и межвидовые взаимодействия организмов и их влияние на неживую среду. В их многообразии выделяют 3 группы. Фитогенные факторы – факторы влияния на среду со стороны растений, которые вырабатывают первичное органическое вещество, являющееся основой питания всех организмов. Зоогенные факторы определяют взаимоотношения между животными и их влияние на среду. Микробиогенные факторы – это воздействия вирусов, простейших, бактерий на живые организмы. Имеются и другие примеры классификации взаимоотношений особей в экосистемах.

Антропогенные факторы (греч. anthropos – человек) обусловлены трудовой деятельностью человека. Воздействие человека на природу подразделяют на прямое (например, охота, вырубка леса) и косвенное (строительство дорог, разливы нефти из трубопроводов и т. д.). Ввиду отсутствия приспособительных реакций у организмов к воздействию антропогенного фактора, происходит нанесение большого ущерба природе.

Любой экологический фактор динамичен, изменчив во времени и пространстве. Каждому живому организму в экосистеме требуется строго определённые количества (дозы) экологических факторов и пределы их колебаний. Факторы окружающей среды определяют амплитуду колебаний численности того или иного вида во времени и пространстве.