В начале XX в. сформировалась новая биологическая наука - экология . В переводе с греческого - это «наука о местообитании».

Экология - это наука о взаимоотношениях организмов, сообществ между собой и с окружающей средой.

Представления о наличии взаимосвязи живых существ между собой и со средой их обитания существовали в биологии уже давно. В зоологических и ботанических работах издавна помимо описания строения животных и растений рассказывалось об условиях их существования.

Сам термин «экология» был введен в науку в 1866 г. видным немецким биологом Э. Геккелем. Однако лишь в XX в., преимущественно во второй его половине, чисто экологические исследования получили огромный размах. И это, конечно, не случайно.

Развитие человеческого общества в конце II тысячелетия характеризуется интенсивным ростом численности населения, а следовательно, и возрастанием потребностей человечества в пище и сырье. В условиях научно-технического прогресса воздействия людей на природу приобрели поистине планетарный характер. Огромные пространства на Земле подверглись коренным преобразованиям в результате хозяйственной деятельности человека. Это выразилось и в истощении природных ресурсов, и в разрушении природных комплексов, и в загрязнении внешней среды.

Человек вступил в острый конфликт с природой, углубление которого грозит глобальной экологической катастрофой. В результате могут погибнуть многие виды организмов, и в первую очередь сам человек. Чтобы предотвратить это, нам необходимо пересмотреть свои взаимоотношения с окружающим миром. Существование и развитие человеческого общества должно строиться на глубоком понимании законов существования и развития живой природы, природных комплексов и систем.

Научной основой для решения вышеназванных проблем послужит именно экология. Сегодня она стремительно накапливает данные и оказывает все усиливающееся влияние на естествознание, науку в целом, а также на все сферы деятельности человека - сельское хозяйство, промышленность, экономику и политику, образование, здравоохранение и культуру. Только на базе экологических знаний могут быть построены эффективная система охраны природы и рациональное природопользование.

Задачи экологии как науки:

1) изучение взаимоотношений организмов и их популяций с окружающей средой;

2) исследование действия среды на строение, жизнедеятельность и поведение организмов;

3) установление зависимости между средой и численностью популяции;

4) исследование взаимоотношений между популяциями разных видов;

5) изучение борьбы за существование и направления естественного отбора в популяции.

Экология человека - комплексная наука, изучающая закономерности взаимоотношений человека с окружающей средой, вопросы народонаселения, сохранения и развития здоровья, совершенствование физических и психических возможностей человека.

Среда обитания человека по сравнению со средой обитания других живых существ - очень сложное переплетение взаимодействующих естественных и антропогенных факторов, причем этот набор в разных местах резко различается.

У человека имеется 3 среды обитания:

1) природная;

2) социальная;

3) техногенная. Критерий качества среды обитания человека - состояние его

здоровья.

В отличие от всех других существ человек имеет двойственный характер с точки зрения экологии: с одной стороны, человек является объектом различных факторов среды (солнечный свет, другие существа), с другой - человек сам является экологическим (антропогенным) фактором.

Планета Земля - маленькая голубая жемчужина, затерянная в бесконечных холодных мирах космического пространства и ставшая домом для миллиардов живых существ. Жизнью пронизано буквально все пространство нашего мира: вода, земля, воздух.

И все это многообразие живых форм, начиная с простейших микроорганизмов и заканчивая вершиной эволюции - человеком разумным, - способно оказывать самое непосредственное влияние на жизнедеятельность планеты. Экология - это наука, изучающая взаимодействие всех живых организмов, населяющих Землю, а также их многочисленных сообществ как между собой, так и с окружающей их средой.

Немного истории

Многие современные люди не знают, что экология стала развиваться как отдельная отрасль науки только лишь в середине XX века. До этого времени она являлась лишь частью биологии. А основоположником экологии являлся ярый приверженец и сторонник теории Дарвина, талантливый естествоиспытатель и биолог - немец Э. Геккель.

На формировании экологии как отдельной науки оказали влияние: с одной стороны - усиление в XX веке научно-технического прогресса, а с другой - быстрый рост населения нашей планеты. Развитие техники и промышленности привело к многократному увеличению потребляемых природных ресурсов, что, в свою очередь, оказало пагубное влияние на окружающую среду.

В то время как численность людей стремительно преумножалась, поголовье других живых существ стало неуклонно уменьшаться. НТП позволил людям обустраивать свое местоприбывание на планете максимально комфортно, но в то же время послужил гибельным фактором для природы. Возникла экстренная необходимость оперативного изучения и исследования среды обитания. Связь экологии с другими науками стала неизбежна.

Фундаментальные основы науки экология

Основы экологии включают в себя изучение взаимодействия с окружающей средой объектов, организованных на видовом, биосферном, организменном и биоцентрическом уровнях. Таким образом можно выделить несколько основных разделов, которые включает общая экология:

• Аутэкология, или экология организмов - раздел, который занимается изучением индивидуальных связей с окружающей средой как каждой отдельной видовой особи, так и организмов, входящих в общую видовую группу.
• Демэкология, или экология популяций. Задачами этого раздела являются изучение природных механизмов, отвечающих за регулирование численности разных живых организмов, их оптимальную плотность, а также выявление допустимых границ изъятия различных видов и популяций.
• Синэкология, или экология сообществ подробно изучает взаимодействие экосистем и популяций с природной средой, а также механизмы и структуру биогеоценозов.

Методы экологических исследований

По самим названиям можно понять, что все полевые исследовательские работы проводятся непосредственно в природной среде. Их, в свою очередь, можно разделить на:

• Стационарные. Эти исследования включают в себя как длительное наблюдение за природными объектами, так и замеры, подробное описание, а также инструментальный отчет.
• Маршрутные. Ведутся прямые наблюдения за объектом, оценивается его состояние, производится измерение, описание, составляются карты и схемы.
• Описательные - при первоначальном знакомстве с объектом исследования.
• Экспериментальные. Здесь главное - опыт и эксперимент, разнообразные химические анализы, количественная оценка и др.

Лабораторные методы имеют в своей основе проведение исследований в лабораторных условиях. Так как экология - это наука, изучающая совокупность огромного множества факторов, особое место в практическом изучении биообъектов отводится методу моделирования.

Среда жизни живых организмов

Для того чтобы точнее понять, как влияют те или иные экологические факторы на разные живые виды, необходимо сначала уяснить взаимосвязь среды обитания и жизни различных объектов. Разнообразные природные условия, которые встречаются на нашей Земле - водные, наземно-воздушные, почвенные, организменные, - являются средой жизни для самых разных видов растений и животных. Именно из среды все живущее получает необходимые для жизнедеятельности вещества. И туда же возвращаются продукты обмена живых организмов.

Таким образом, именно различие условий существования в разных средах дало возможность выработаться у разных организмов совокупности ряда специфических физиологических, морфологических, поведенческих и других различных свойств, помогающих им максимально приспособиться к непростым условиям жизни.

Экологические факторы

Основы экологиикак наукибольшое значение придают отдельным экологическим факторам. Под последними следует понимать любые элементы или условия среды, которые заставляют те или иные организмы приспосабливаться к ним и адаптироваться. Существует всего три группы экологических факторов:

• биотические;
• абиотические;
• антропогенные.

В биотические факторы входят различные свойства живой природы. Они способны вызывать приспособительные реакции как у растений (фитогенные), так и у животных (зоогенные) и грибов (микогенные).

Абиотические, напротив, являются компонентами природы неживой: геологические (движения ледников, вулканическая активность, радиация и др.), климатические (температура, свет, ветер, влажность, давление и т. д.), почвенные (структура, плотность и состав почвы), а также гидрологические факторы (вода, давление, соленость, течение).

Антропогенные факторы экологии относятся к человеческой деятельности. Нужно сказать, что именно человек вызывает очень серьезные сдвиги в биогеоценозах. Причем для одних видов это становится благоприятным, а для других нет.

Экологические проблемы современности

Сегодняшние связаны в основном именно с антропогенным воздействием на природу. Глобальная экология возвещает о следующих серьезных опасностях: истощение озонового слоя, парниковый эффект, загрязнение окружающего мира и проблема утилизации отходов человеческой жизнедеятельности, деградация и эрозия почвы, опустынивание, повсеместная вымирание животных, изменения в климате, общее ослабление иммунитета людей, истощение ресурсов (вода, газ, нефть, другие природные ископаемые), фотохимический смог и другие фатальные изменения.

Все это во многом спровоцировано активным вмешательством людей в природные процессы, а также неразумной реализацией рекреационных, военных, экономических и других планов, которые меняют природную среду обитания.

Загрязнение окружающей среды

Экология - это наука, изучающая в том числе и (биосферы). При этом под загрязнением понимается активное поступление в биосферу энергии или веществ, количество, местоположение или свойства которых способны негативно воздействовать на среду обитания различных живых видов.

Развитие промышленности и всемирная урбанизация приводят к загрязнению окружающего пространства не только твердыми, жидкими и газообразными веществами и микроорганизмами, но также и различными энергиями (звуки, шумы, излучения), которые пагубно влияют на различные экосистемы планеты.

Существует два вида загрязнения биосферы, различающихся по происхождению: естественное (природное) - возникает без участия людей, и антропогенное. Последнее намного опаснее, так как человек еще не научился восстанавливать среду своего обитания.

В наши дни загрязнение идет чудовищными темпами и касается атмосферного воздуха, подземных и поверхностных источников воды, почвы. Человечество загрязнило даже околоземное космическое пространство. Все это не прибавляет людям оптимизма и может спровоцировать всемирную Скорейшее развитие экологии как науки дает человечеству шанс избежать угрозы.

Загрязнение почвы

В результате неосторожной, неразумной человеческой деятельности почва вокруг больших городов и территорий, на которых расположены крупные промышленные металлургические предприятия, ТЭЦ, предприятия машиностроения, оказалась загрязненной на огромные расстояния.

Тяжелые металлы, нефтепродукты, соединения серы и свинца совокупно с бытовыми отходами - вот чем насыщена современная среда обитания цивилизованного человека. Любой институт экологии подтвердит, что наряду с вышеперечисленными веществами, в почве в изобилии содержатся различные канцерогенные вещества, обладающие способностью вызывать у людей страшные заболевания.

Земля, которая нас кормит, подвергается не только эрозии и загрязнению вредными химическими элементами, но еще и заболачивается, засоляется, изымается для постройки разных сооружений. И если природное разрушение поверхностного плодородного слоя может происходить очень медленно, то эрозия, вызванная антропогенной деятельностью, поражает своими ускоренными темпами.

Земледелие с обильным использованием пестицидов становится настоящим бичом для человечества. Наибольшую опасность при этом представляют устойчивые соединения хлора, способные сохраняться в почве долгие годы и накапливаться в ней.

Загрязнение воздуха

Следующая серьезная экологическая угроза - это загрязнение атмосферы. Опять же оно может вызываться и природными факторами, к примеру, вулканической деятельностью, цветением растений, дымом от горящих лесов или ветровой эрозией. А вот антропогенное воздействие наносит атмосфере вред гораздо больший.

Антропогенное, или техногенное загрязнение воздуха происходит из-за попадания в атмосферу большого количества тех или иных вредных веществ. Особенный вред в этом плане наносит химическая промышленность. Благодаря ей в воздух выбрасываются диоксид серы, оксиды азота, сероводород, углеводороды, галогены и другие вещества. Вступая друг с другом в химические реакции, они способны образовывать очень опасные высокотоксичные соединения.

Ситуацию усугубляют автомобильные выхлопы. В большинстве крупных городов в безветренную погоду стало обычным такое явление, как фотохимический смог.

Загрязнение водных запасов планеты

Жизнь на планете невозможна без воды, но в наше время экологические исследования заставили ученых прийти к горькому выводу: антропологическая деятельность оказывает губительное воздействие на гидросферу Земли. Сокращаются природные запасы пресной воды, и даже огромный Мировой океан претерпевает сегодня глобальные изменения в своей экосистеме, в связи с чем многие морские обитатели обречены на вымирание.

Особенно настораживает тот факт, что загрязнению подвергаются не только поверхностные воды, но и подземные, на состояние которых влияют не только отходы промышленных предприятий, но также многочисленные городские свалки, канализационные стоки, отходы животноводческих комплексов, хранилища удобрений и химических веществ. Ко всему прочему, не обходится цивилизация и без крупных аварий. Аварийные сбросы отходов в водоемы - не такой уж редкий случай.

Связь экологии с другими науками

В первую очередь экология - это наука, изучающая проблемы окружающей среды, и одной ей не под силу исправить сложившуюся ситуацию. Теперь, когда стало видно, насколько тревожной является ситуация в разных экосистемах, становится еще понятнее, насколько важна связь экологии с другими науками. Без тесного взаимодействия с медициной, биологией, химией, физикой и некоторыми другими научными отраслями просто невозможно будет активно решать экологические проблемы.

Ученым предстоит приложить совместные усилия для того, чтобы постараться свести к минимуму тот вред, который наносит человек природе. Ученые разных стран в спешном порядке ищут безопасные источники энергии. В некоторых государствах уже значительно выросла доля автомобилей, работающих на электроэнергии. Многое зависит от усилий химиков, им предстоит в новом веке кардинально решать проблему по минимализации вреда промышленных отходов. В решении общих проблем должны быть обязательно задействованы все области экологии.

Экологическая ситуация в России

К сожалению, экология России находится далеко не в лучшем состоянии. По мнению авторитетных экологов, наша страна входит в тройку государств, которые наиболее активно загрязняют экосистему планеты. Кроме России, в позорный список вошли еще Китай и США.

Ситуация усугубляется еще и тем, что в то время как наиболее развитые Европейские страны тратят ежегодно до 6% от своего бюджета на природоохранные мероприятия, в России эти затраты не дотягивают даже и до 1%. Власти упорно не хотят реагировать на попытки экологов обратить их внимание на плачевное положение дел в этой сфере.

А между тем экология Россиивызывает опасение всего мирового сообщества, так как территории, которые она занимает, поистине огромны, промышленных предприятий очень много, отходы не перерабатываются и не утилизируются должным образом, и на фоне экономического кризиса все это выглядит просто угрожающе.

Влияние экологии на здоровье людей

Выше уже было сказано, насколько пагубно влияют на здоровье человека неблагоприятные для жизни факторы окружающей среды. В первую очередь это, конечно же, касается детей, потому что это - наше будущее. Но каково будет это будущее, если маленькому человечку с пеленок приходится дышать загрязненным воздухом, питаться продуктами, в которые добавлены вредные химические консерванты, пить воду только из пластиковых бутылок и т. д.?

В последние годы врачи делают акцент на то, что заболеваемость бронхо-легочными болезнями все выше и выше. Растет число больных аллергией, причем большинство из них опять же - дети. Во всем мире наблюдается рост заболеваний, связанных с иммунодефицитными состояниями. Можно предположить, что если человечество в ближайшее время не опомнится и не постарается заключить мирный гармоничный союз с матушкой-Природой, то в не столь отдаленном будущем нас может постичь участь многих вымерших видов. Необходимо помнить, что находятся в неразрывной связи.

2014 - год экологии

Каждый год в нашей стране проводится много мероприятий, посвященных просветительской деятельности в вопросах экологии. И 2014 год не стал исключением. Так, с начала года в России проводится масштабный конкурс "Национальная экологическая премия "ERAECO". В рамках этого мероприятия в разных городах России демонстрируются фильмы на экологическую тематику, проводятся фестивали, лекции.

Также будут проводится презентации по эко-строительству и демонстрация возможностей экологических фермерских хозяйств Москвы и Московской области. В школах прошли эко-уроки, на которых ребятам рассказывалось о проблемах охраны окружающей среды и подробно обсуждались различные вопросы по экологии.

Организаторы "ERAECO" планируют открытие передвижной экологической мини-лаборатории, при помощи которой можно будет осуществлять экспресс-анализы проб, взятых из воды, воздуха и почвы. Экспертами лаборатории при поддержке специалистов-экологов станут школьники разных возрастов и студенты.

Будут сформированы отряды "эко-патруля", которые будут продолжать свою деятельность не только во время проведения конкурса, но и после его окончания. Детишки младшего школьного возраста тоже смогут приобщиться ко многим интересным мероприятиям, а после им будет предложено создать визуальный отчет в рисунках.

Международное сотрудничество в деле защиты окружающей среды

Наша планета едина, и несмотря на то, что люди разграничили ее на множество разных стран и государств, решение острых экологических вопросов требует объединения. Такое сотрудничество осуществляется в рамках международных программ таких организаций, как ЮНЕСКО и ООН, и регулируется межгосударственными соглашениями.

Были разработаны принципы экологического сотрудничества. Один из них гласит, что экологическое благополучие какого-либо государства не должно быть обеспечено без учета интересов других стран или за их счет. К примеру, более сильными странами недопустимо использовать природные ресурсы слаборазвитых мировых регионов.

Еще один принцип провозглашает, что на всех уровнях должен быть установлен обязательный контроль над угрожающими изменениями в окружающей среде и все государства обязаны оказывать всемерную помощь друг другу при сложных экологических проблемах и чрезвычайных ситуациях.

Важно осознавать, что, только сплотившись, человечество сможет спасти Землю от надвигающегося экологического коллапса. Отныне каждый гражданин планеты обязан это понять.

Задачи и упражнения к школьному курсу общей экологии

(Печатается с сокращениями)

Часть 1. ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ

Введение. Экология как наука

1. Экология – это:

а) наука о взаимоотношениях человека с окружающей средой;
б) наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой;
в) природа;
г) охрана и рациональное природопользование.

(Ответ: б. )

а) Ч.Дарвин;
б) А.Тенсли;
в) Э.Геккель;
г) К.Линней.

(Ответ: в. )

3. Опираясь на определение экологии, установите, какие утверждения являются грамотными:

а) «В нашем районе плохая экология»;
б) «Экология в наших местах испорчена»;
в) «Экологию необходимо охранять»;
г) «Экология – основа природопользования»;
д) «Экология – здоровье людей»;
е) «Экология у нас стала хуже»;
ж) «Экология – это наука».

(Ответ: г и ж. )

Глава 1. Организм и среда.
Потенциальные возможности размножения организмов

1. Расположите названные виды деревьев в порядке возрастания числа семян, производимых ими за год: дуб черешчатый, береза повислая, кокосовая пальма. Как изменяется в выстроенном вами ряду деревьев размер семян (плодов)?
(Ответ: кокосовая пальма --> дуб черешчатый --> береза повислая. Чем крупнее семена, тем меньше их производит дерево за единицу времени.)

2. Расположите названные виды животных в порядке увеличения их плодовитости: шимпанзе, свинья, обыкновенная щука, озерная лягушка. Объясните, почему самки одних видов приносят за один раз 1–2 детеныша, а других – несколько сотен тысяч.
(Ответ : шимпанзе --> свинья --> озерная лягушка --> обыкновенная щука. У видов, самки которых приносят относительно меньше потомков за один раз, наблюдается более выраженная забота о потомстве и меньшая смертность потомства.)

4*. Бактерии способны очень быстро размножаться. Каждые полчаса путем деления из одной клетки образуются две. Если одну бактерию поместить в идеальные условия с обилием пищи, то за сутки ее потомство должно составить 248= 281474976710 700 клеток. Такое количество бактерий заполнит 0,25-литровый стакан. Какое время должно пройти, чтобы бактерии заняли объем 0,5 л?

а) одни сутки;
б) двое суток;
в) один час;
г) полчаса.

(Ответ: г. )

5*. Постройте график роста численности домовых мышей в течение 8 месяцев в одном амбаре. Исходная численность составляла две особи (самец и самка). Известно, что в благоприятных условиях пара мышей приносит 6 мышат каждые 2 месяца. Через два месяца после рождения мышата становятся половозрелыми и сами приступают к размножению. Отношение самцов и самок в потомстве 1:1.
(Ответ: если по оси X отложить время в месяцах, а по оси Y – число особей, то координаты {x, y} и т.д. последовательно расположенных точек на графике будут: {0, 2}, {1, 8}, {2, 14}, {3, 38}, {4, 80}.)

6*. Прочитайте приведенные ниже описания особенностей размножения некоторых видов рыб примерно одинакового размера. На основе этих данных сделайте заключение о плодовитости каждого вида и сопоставьте названия видов с числом откладываемых рыбами икринок: 10 000 000, 500 000, 3 000, 300, 20, 10. Почему в выстроенном вами ряду видов рыб наблюдается падение плодовитости?

Дальневосточный лосось кета откладывает относительно крупную икру в специально вырытую ямку на дне реки и засыпает ее галькой. Оплодотворение у этих рыб наружное.
Треска откладывает мелкую, плавающую в толще воды, икру. Такая икра называется пелагической. Оплодотворение у трески наружное.
Африканские тиляпии (из окунеобразных) собирают отложенную и оплодотворенную икру в ротовую полость, в которой вынашивают ее до вылупления молоди. Рыбы в это время не питаются. Оплодотворение у тиляпий наружное.
У мелких кошачьих акул оплодотворение внутреннее, они откладывают крупные яйца, покрытые роговой капсулой и богатые желтком. Акулы маскируют их в укромных местах и некоторое время охраняют.
У катранов , или колючих акул , живущих в Черном море, также внутреннее оплодотворение, но их зародыши развиваются не в воде, а в половых путях самок. Развитие происходит за счет питательных запасов яйца. У катранов рождаются зрелые, способные к самостоятельной жизни детеныши.
Обыкновенная щука откладывает мелкую икру на водные растения. Оплодотворение у щук наружное.

(Ответ: 10 000 000 – треска, 500 000 – обыкновенная щука, 3 000 – кета, 300 – тиляпия, 20 – кошачья акула, 10 – катран. Плодовитость вида зависит от показателя смертности особей, составляющих этот вид. Чем смертность выше, тем, как правило, выше и плодовитость. У тех видов, которые мало заботятся о выживаемости своих потомков, смертность довольно большая. И в качестве ее компенсации увеличивается плодовитость. Повышение степени заботы о потомстве приводит к относительному снижению плодовитости вида.)

7*. Почему человек из птиц преимущественно разводит лишь представителей отряда курообразных и гусеобразных? Известно, что по качеству мяса, скорости роста, размерам, степени привыкания к человеку им не уступают ни дрофы, ни стрепеты, ни кулики, ни голуби.
(Ответ: у представителей курообразных и в меньшей степени гусеобразных очень высокая плодовитость. В среднем в кладке представителей куриных птиц 10–12, а у некоторых видов (перепела) – и до 20 яиц. В кладке разных видов гусеобразных в среднем 6–8 яиц. В то же время у голубей и дроф в кладке не более 2, а у куликов – не более 4 яиц.)

8*. Если любой вид способен к беспредельному росту численности, почему же существуют редкие и находящиеся под угрозой исчезновения организмы?

(Ответ: в этом «повинны» факторы-ограничители. Их действие перекрывает способности вида восстанавливать и увеличивать свою численность. Человек своей деятельностью благоприятствует усилению разнообразных факторов–ограничителей, которые снижают численность вида.)

Общие законы зависимости организмов от факторов среды

2. Выберите правильное определение закона ограничивающего фактора:

а) оптимальное значение фактора наиболее важно для организма;
б) из всех факторов, действующих на организм, наиболее важен тот, значение которого больше всего отклоняется от оптимального;
в) из всех факторов, действующих на организм, наиболее важен тот, значение которого меньше всего отклоняется от оптимального.

(Ответ: б. )

3. Выберите фактор, который можно считать ограничивающим в предлагаемых условиях.

1. Для растений в океане на глубине 6000 м: вода, температура, углекислый газ, соленость воды, свет.
2. Для растений в пустыне летом: температура, свет, вода.
3. Для скворца зимой в подмосковном лесу: температура, пища, кислород, влажность воздуха, свет.
4. Для речной щуки в Черном море: температура, свет, пища, соленость воды, кислород.
5. Для кабана зимой в северной тайге: температура; свет; кислород; влажность воздуха; высота снежного покрова.

(Ответ: 1 – свет; 2 – вода; 3 – пища; 4 – соленость воды; 5 – высота снежного покрова.)

4. Из перечисленных веществ с наибольшей вероятностью будет лимитировать рост пшеницы на поле:

а) углекислый газ;
б) кислород;
в) гелий;
г) ионы калия;
д) газообразный азот.

(Ответ: г. )

5*. Может ли один фактор полностью компенсировать действие другого фактора?

(Ответ: полностью никогда, частично может.)

Основные пути приспособления организмов к среде

1. Три основных способа приспособления организмов к неблагоприятным условиям среды: подчинение, сопротивление и избегание этих условий. К какому способу можно отнести:

а) осенние перелеты птиц с северных мест гнездования в южные районы зимовок;
б) зимнюю спячку бурых медведей;
в) активную жизнь полярных сов зимой при температуре минус 40 оС;
г) переход бактерий в состояние спор при понижении температуры;
д) нагревание тела верблюда днем с 37 оС до 41 оС и остывание его к утру до 35 оС;
е) нахождение человека в бане при температуре в 100 оС, при этом его внутренняя температура остается прежней – 36,6 оС;
ж) переживание кактусами в пустыне жары в 80 оС;
з) переживание рябчиками сильных морозов в толще снега?

(Ответ: избегание – а, з; подчинение– б, г, д; сопротивление – в, е, ж.)

2. Чем отличаются теплокровные (гомойотермные) организмы от холоднокровных (пойкилотермных)?
(Ответ: теплокровные организмы отличаются от холодно–кровных тем, что имеют высокую (как правило, выше 34 оС) и постоянную (колеблющуюся обычно в пределах одного-двух градусов) температуру тела.)

3. Из перечисленных организмов к гомойотермным относятся:

а) окунь речной;
б) лягушка озерная;
в) дельфин-белобочка;
г) гидра пресноводная;
д) сосна обыкновенная;
е) ласточка городская;
ж) инфузория-туфелька;
з) клевер красный;
и) пчела медоносная;
к) гриб подберезовик.

(Ответ: в, е. )

4. В чем преимущество гомойотермии над пойкилотермией?
(Ответ: постоянная внутренняя температура тела позволяет животным не зависеть от температуры окружающей среды; создает условия для протекания всех биохимических реакций в клетках; позволяет осуществлять биохимические реакции с высокой скоростью, что повышает активность организмов.)

5. В чем недостатки гомойотермии по сравнению с пойкилотермией?
(Ответ: гомойотермные животные в сравнении с пойкилотермными имеют большие потребности в пище и воде.)

6. Температура тела песца остается постоянной (38,6 °С) при колебаниях температуры окружающей среды в диапазоне от –80 °С до +50 °С. Перечислите приспособления, которые помогают песцу удерживать постоянную температуру тела.
(Ответ: шерстный покров, подкожный жир, испарение воды с поверхности языка (для охлаждении организма), расширение и сужение просветов кожных сосудов – физическая терморегуляция. Поведение, которое помогает менять температурные условия окружающей среды, – поведенческая терморегуляция. Развитая регуляция клеточных химических реакций, вырабатывающих тепло, которая происходит по команде из специального теплового центра в промежуточном мозге, – химическая терморегуляция.)

7. Можно ли бактерий, постоянно обитающих в горячих источниках гейзеров при температуре 70 оС и не способных выжить, если температура их клеток изменится всего на несколько градусов, назвать теплокровными организмами?
(Ответ: нельзя, так как теплокровные животные поддерживают постоянно высокую внутреннюю температуру благодаря внутреннему теплу, вырабатываемому самим организмом. Обитающие в горячих источниках бактерии используют внешнее тепло, но так как их температура всегда высокая и постоянная, их называют ложногомойотермными.)

8. Клесты строят гнезда и выводят птенцов зимой (в феврале). Это происходит потому, что:

а) у клестов есть особые приспособления, помогающие переносить низкие температуры;
б) в это время много корма, которым питаются взрослые птицы и птенцы;
в) им необходимо успеть вывести птенцов до прилета основных конкурентов – птиц из южных районов.
(Ответ: б. Основной корм клестов – семена хвойных пород. Они созревают в конце зимы – начале весны.)

9*. Какие птицы несколько десятилетий тому назад из средних и северных широт улетали осенью на юг, а сейчас живут круглый год в крупных городах. Объясните, с чем это связано.
(Ответ: грачи, утки-кряквы. Это связано с тем, что возросло количество доступной пищи зимой: увеличилось число помоек и свалок, появились незамерзающие водоемы.)

10*. Почему в холодных частях ареала можно встретить темноокрашенных рептилий чаще, чем в теплых? Например, обитающие за полярным кругом гадюки преимущественно меланисты (черные), а на юге – светлоокрашенные.
(Ответ: черный цвет в большей степени, чем какой-либо, поглощает тепло. Темноокрашенные рептилии быстрее нагреваются.)

11. При летнем похолодании стрижи бросают свои гнезда и перемещаются на юг, иногда на сотни километров. Птенцы впадают в оцепенение и способны в таком состоянии, без пищи, находиться несколько дней. При потеплении родители возвращаются. Объясните, чем вызваны откочевки.
(Ответ: при похолодании численность летающих насекомых, которыми питаются стрижи, резко уменьшается. Оцепенение птенцов стрижей – это приспособление к жизни в северных странах, где летнее похолодание наблюдается достаточно часто.)

12*. Почему птицы и млекопитающие легче переносят низкую внешнюю температуру, чем высокую?
(Ответ: снизить потери тепла можно многими способами, увеличить же теплоотдачу гораздо труднее. Основной путь для этого – испарение воды из организма. Однако в местах, где часто наблюдается высокая (более 35 оС) температура воздуха, обычно имеет место и дефицит влаги.)

13*. Объясните, почему у поверхности водоемов живут растения преимущественно зеленой окраски, а на больших морских глубинах – красной.
(Ответ: на глубину в несколько десятков и сотен метров проникают только коротковолновые лучи: синие и фиолетовые. Для их поглощения (с последующей передачей энергии молекулам хлорофилла) у водорослей имеется значительное количество красных и желтых пигментов. Они маскируют зеленый цвет хлорофилла, и растения выглядят красными.)

Основные среды жизни

1. Самые быстродвигающиеся животные живут в среде:

а) наземно-воздушной;
б) подземной (почва);
в) водной;
г) в живых организмах.

2. Назовите самое крупное животное, которое когда-либо существовало (и существует ныне) на Земле. В какой среде оно обитает? Почему в других средах обитания возникнуть и существовать такие крупные животные не могут?
(Ответ: синий кит. В водной среде выталкивающая (архимедова) сила позволяет значительно компенсировать силу тяготения.)

3. Объясните, почему в давние времена воины определяли приближение вражеской конницы, приложив ухо к земле.
(Ответ: проводимость звука в плотной среде (почва, земля) выше, чем в воздушной.)

4. Ученые-ихтиологи сталкиваются с серьезными проблемами при сохранении глубоководных рыб для музеев. Поднятые на палубу корабля, они в буквальном смысле слова взрываются. Объясните, почему это происходит.
(Ответ: на больших океанских глубинах создается колоссальное давление. Чтобы не быть раздавленными, организмы, живущие в этих условиях, должны иметь такое же давление внутри своего организма. При быстром поднятии на поверхность океана они оказываются «раздавленными изнутри». )

5. Объясните, почему глубоководные рыбы имеют либо редуцированные, либо гипертрофированные (увеличенные) глаза.
(Ответ: на большие глубины проникает очень мало света. В этих условиях зрительный анализатор должен быть либо очень чувствительным, либо он становится ненужным – тогда зрение компенсируется за счет других органов чувств: обоняния, осязания и др.)

6. Если смешать воду, песок, неорганические и органические удобрения, будет ли эта смесь почвой?
(Ответ: нет, т.к. почва должна иметь определенную структуру и в ее состав должны входить живые существа.)

7. Заполните пропуски, выбирая одно слово из пары в скобках.

(Ответ: не грозит, слабые, агрессивна, имеют, не имеют, не имеют, не имеют, большое.)

8*. В каких средах обитания животные имеют наиболее простое строение органа слуха (сравнивать необходимо близкородственные группы животных)? Почему? Доказывает ли это, что в этих средах животные плохо слышат?
(Ответ: в почве и воде. Это связано с тем, что проводимость звука в этих плотных средах наилучшая. Факт простой организации органов слуха этих животных не доказывает того, что они плохо слышат. Лучшее распространение звуковой волны в плотной среде способно компенсировать низкую организацию органов слуха.)

9. Объясните, почему постоянноводные млекопитающие (киты, дельфины) имеют гораздо более мощные теплоизоляционные покровы (подкожный жир), чем наземные звери, обитающие в суровых и холодных условиях. Для сравнения: температура соленой воды не опускается ниже –1,3 °С, а на поверхности суши она может падать до –70 °С.)
(Ответ: вода обладает значительно более высокой теплопроводностью и теплоемкостью, чем воздух. Теплый предмет в воде будет намного быстрее остывать (отдавать тепло), чем на воздухе.)

10*. Весной многие люди жгут пожухлую прошлогоднюю траву, обосновывая это тем, что свежая трава будет расти лучше. Экологи, напротив, утверждают, что это делать нельзя. Почему?
(Ответ: мнение о том, что после пала новая трава растет лучше, вызвано тем, что молодые проростки кажутся более дружными и зелеными на черном фоне пепелища, чем среди пожухлой травы. Однако это не более чем иллюзия. На самом деле во время пала многие побеги молодых растений обугливаются и их рост замедляется. В огне гибнут миллионы насекомых и других беспозвоночных, обитающих в подстилке и травянистом ярусе, уничтожаются кладки птиц, гнездящихся на земле. В норме органические вещества, составляющие пожухлую траву, разлагаются и постепенно переходят в почву. Во время пожара они сгорают и превращаются в газы, поступающие в атмосферу. Все это нарушает круговорот элементов в данной экосистеме, ее естественный баланс. Кроме того, сжигание прошлогодней травы регулярно приводит к пожарам: горят леса, деревянные постройки, столбы линий энергоснабжения и связи.)

Продолжение следует

*Задания повышенной сложности, имеющие познавательный и проблемный характер.

Экология как наука, изучающая отношения между организмами и их взаимосвязи с окружающей средой. Предмет и задачи экологии. Организм инадорганизменные системы: популяции, сообщества, экосистемы как объекты экологии. Биоэкология и ее основные разделы (аутэкология, демэкология, синэкология). Ландшафтная экология. Экология человека и социальная экология.

Повышение роли экологии на современном этапе развития человечества. Основные нарушения в биосфере, вызываемые деятельностью человека. Угроза глобальных экологических катастроф. Экология как научная основа выхода из глобальных кризисов.

Экологические знания – основа природопользования. Экологические принципы заповедного дела и рационального использования природных ресурсов. Красные книги. Международное сотрудничество в деле охраны природы. Экологическое законодательство Российской Федерации.

Экология – это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их природой, о структуре и функционировании надорганизменных систем.

Термин «экология» в 1866 г. ввел немецкий эволюционист Эрнст Геккель. Э. Геккель считал, что экология должна изучать различные формы борьбы за существование. В первичном значении, экология – это наука об отношениях организмов к окружающей среде (от греч. «oikos» – жилище, местопребывание, убежище).

Экология, как и любая наука, характеризуется наличием собственного объекта, предмета, задач и методов (объект – это часть окружающего мира, которая изучается данной наукой; предмет науки – это наиболее главные существенные стороны ее объекта).

Объектом экологии являются биологические системы надорганизменного уровня: популяции, сообщества, экосистемы (Ю. Одум, 1986).

Предметом экологии являются взаимоотношения организмов и надорганизменных систем с окружающих их органической и неорганической средой (Э. Геккель, 1870; Р. Уиттекер, 1980; Т. Фенчил, 1987).

По определению Р. Риклефса (1979), экологию можно представить «... как трехмерное сооружение из лежащих один над другим горизонтальных слоев, соответствующих различным уровням биологической организации – от индивидуума через популяцию и сообщество к экосистеме ; вертикальные разрезы, проходящие через все слои, делят все сооружение на секции, соответствующиеформе, функции, развитию, регуляции и адаптации . Каждому уровню экологической организации присущи свои особые структурные и функциональные характеристики».

Из множества определений предмета экологии вытекает и множество задач , стоящих перед современной экологией:

– Изучение структуры пространственно-временны х объединений организмов (популяций, сообществ, экосистем, биосферы).

– Изучение круговорота веществ и потоков энергии в надорганизменных системах.

– Изучение закономерностей функционирования экосистем и биосферы в целом.

– Изучение реакции надорганизменных систем на воздействие разнообразных экологических факторов.

– Моделирование биологических явлений для экологического прогнозирования.

– Создание теоретической основы охраны природы.

– Научное обоснование производственных и социально-экономических программ.

Методы экологических исследований

При изучении надорганизменных систем экология использует все разнообразие методов как биологических, так и небиологических наук. Однако специфическим методом экологии является количественный анализ структуры и функционирования надорганизменных систем . Современная экология – это один из наиболее точных, наиболеематематизированных разделов биологии.

Структура современной экологии

Экология делится на фундаментальную и прикладную . Фундаментальная экология изучает наиболее общие экологические закономерности, а прикладная – использует полученные знания для обеспечения устойчивого развития общества.

Основу экологии составляет биоэкология как раздел общей биологии. «Спасти человека – это, прежде всего, сохранить природу. И здесь только биологи могут привести необходимые аргументы, доказывающие правомерность высказанного тезиса».

Биоэкология (как и любая наука) делится на общую и частную . В состав общей биоэкологии входят разделы:

1. Аутэкология – изучает взаимодействие со средой обитания отдельных организмов определенных видов.

2. Экология популяций (демэкология) – изучает структуру популяций и ее изменение под воздействием экологических факторов.

3. Синэкология – изучает структуру и функционирование сообществ и экосистем.

К общей биоэкологии относятся и другие разделы:

– эволюционная экология – изучает экологические механизмы эволюционного преобразования популяций;

– палеоэкология – изучает экологические связи вымерших групп организмов и сообществ;

– морфологическая экология – изучает закономерности изменения строения органов и структур в зависимости от условий обитания;

– физиологическая экология – изучает закономерности физиологических изменений, лежащих в основе адаптации организмов;

– биохимическая экология – изучает молекулярные механизмы приспособительных преобразований в организмах в ответ на изменение среды;

– математическая экология – на основании выявленных закономерностей разрабатывает математические модели, позволяющие прогнозировать состояние экосистем, а также управлять ими.

Частная биоэкология изучает экологию отдельных таксономических групп, например: экология животных, экология млекопитающих, экология выхухоли; экология растений, экология опыления, экология сосны; экология водорослей; экология грибов и т. д.

Биоэкология тесно связана с ландшафтной экологией , например:

– экологией водных ландшафтов (гидробиологией) – океанов, рек, озер, водохранилищ, каналов...

– экологией наземных ландшафтов – лесов, степей, пустынь, высокогорий...

Отдельно выделяются разделы фундаментальной экологии, связанные с существованием и деятельностью человека:

– экология человека – изучает человека как биологический вид, вступающий в разнообразные экологические взаимодействия;

– социальная экология – изучает взаимодействие человеческого общества и окружающей среды;

– глобальная экология – изучает наиболее крупномасштабные проблемы экологии человека и социальной экологии.

Прикладная экология включает: промышленную экологию, сельскохозяйственную экологию, экологию города (населенных пунктов), медицинскую экологию, экологию административных районов, экологическое право, экологию катастроф и многие другие разделы. Прикладная экология тесно связана с охраной природы и окружающей среды .

Экологические знания должны служить основой рационального природопользования. На их основе базируется создание и развитие сети охраняемых территорий: заказников, заповедников и национальных парков , а также охрана отдельныхпамятников природы . Рациональное использование природных ресурсов является основой устойчивого развития человечества.

Во второй половине ХХ века в связи с интенсивным воздействием человеческого общества на биосферу начинаетсяэкологический кризис , особенно обострившийся в последние десятилетия. Современная экология включает множество разделов и охватывает самые разнообразные стороны человеческой деятельности; происходит экологизация всего общества.

Глобальные экологические проблемы и пути их решения

Глобальные экологические проблемы являются общими для всей биосферы и для всего человечества. Главные из них:

– обеспечение населения продовольствием и водой;

– защита людей от негативных последствий научно-технического прогресса;

– обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и в природных ресурсах;

– охрана природной среды от разрушительного антропогенного воздействия, защита среды от разнообразных загрязнений – физических, химических, биологических;

– сохранение биологического (генетического) разнообразия : многообразия сообществ и экосистем, видов и генофонда каждого вида как представителя таксономической группы и сообщества.

400 лет назад каждые 3 года вымирал один биологический вид. В наше время каждые 8 месяцев на Земле вымирает один вид. Исчезновение одного вида растений может привести к гибели 10 видов животных.

К глобальным экологическим проблемам также относится защита людей от особо опасных заболеваний .

Международное сотрудничество в деле охраны природы .

Глобальные экологические проблемы обострились после Второй мировой войны. Для их решения в 1948 г. был образованМеждународный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) .

Первоочередной задачей МСОП являлось составление Красных книг – списков редких и находящихся под угрозой исчезновения видов. В 1963-1966 гг. была издана первая Международная Красная книга. В 1980 г. вышло ее четвертое издание. В 1978-1984 гг. издается Красная книга СССР, а в 1985 г. – Красная книга Российской Федерации.

В 1980 г. Международным союзом охраны природы и природных ресурсов была разработана «Всемирная стратегия охраны природы» .

В материалах Всемирной стратегии отмечается, что одной из глобальных экологических проблем является проблема питания: 500 млн. человек систематически недоедают. Труднее учесть число людей, не получающих полноценного питания, сбалансированного по белкам, витаминам и микроэлементам.

Всемирная стратегия сформулировала первоочередные задачи охраны природы:

– Поддержание главных экологических процессов в экосистемах.

– Сохранение генетического разнообразия.

– Долгосрочное рациональное использование видов и экосистем.

В 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась конференция Организации Объединенных Наций по окружающей среде и развитию . На этой конференции был принят ряд документов, подписанных представителями 179 государств:

– Программа действий: Повестка дня на XXI век.

– Заявление о принципах в отношении лесов.

– Конвенция ООН об изменении климата.

– Конвенция о биологическом разнообразии.

В материалах Конвенции о биологическом разнообразии отмечается, что «...разнообразие важно для эволюции и сохранения систем жизнеобеспечения биосферы». Для сохранения систем жизнеобеспечения биосферы необходимо сохранение всех форм биологического разнообразия: «Страны, которые присоединяются к Конвенции, должны определять компоненты биологического разнообразия, ...осуществлять контроль за видами деятельности, которые могут оказать вредное воздействие на биологическое разнообразие».

В 1995 г. в Софии на конференции министров окружающей среды европейских стран была принята Общеевропейская стратегия сохранения биологического и ландшафтного разнообразия .

Принципы Общеевропейской стратегии сохранения биологического и ландшафтного разнообразия природы:

– Охрана наиболее уязвимых экосистем.

– Охрана и восстановление нарушенных экосистем.

– Охрана территорий с наибольшим видовым разнообразием.

– Сохранение эталонных природных комплексов.

Лекция 1. Экология как наука.

Этапы развития экологии как естественнонаучной дисциплины.

«Экология» - наука о «доме» (от греч. «ойкос» - жилище, местообитание).

Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но экология как наука возникла в начале ХХ в., а в широкий обиход это слово вошло в 1960-е годы, когда стали говорить об экологическом кризисе как кризисе во взаимоотношениях человека со средой его обитания.

Общая экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей средой.

Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней вплоть до глобального, т.е. до биосферы в целом.

Экология, бурно развиваясь в ХХ в., прошла несколько этапов, которые сохранились до настоящего времени в качестве разделов экологии:

1. Аутэкология – экология отдельных видов, предметом которой является изучение питания, размножения, миграций, местообитаний отдельных видов животных и растений.

2. Экология популяций (возникла в 1930-е годы на стыке с генетикой) изучает причины изменения численности популяций.

Популяцией (от лат. «populus» - народ) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область, называемую ареалом. Каждый вид может состоять из одной или нескольких популяций, т.е. быть гомогенным или гетерогенным видом.

3. Синэкология, или экология сообществ, возникла в середине ХХ века на основе синтеза экологии с термодинамикой и системным подходом. Синэкология ввела в обиход такие экологические понятия как сообщество (биоценоз), экосистема (биогеоценоз), экологическая ниша и другие.

Сообществом, или биоценозом, называют совокупность различных видов растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Термин экосистема был введен английским экологом А. Тэнсли в 1935 году.

В 1944 году В.Н. Сукачевым предложен термин биогеоценоз, а В.И. Вернадский еще ранее использовал понятие «биокосное тело».

Главное значение этих понятий состоит в том, что они подчеркивают обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое.

Социальная экология как наука о взаимодействии общества с природной средой.

Было предложено много новых названий наук, предметом которых является изучение взаимоотношений человека с природной средой в их целостности.

В настоящее время более или менее уверенно можно говорить о трех направлениях:

1. Современная социальная экология (книга Р. Карсон «Безмолвная весна» (1961г.), посвященная отрицательным экологическим последствиям применения ДДТ.

Предмет социальной экологии - взаимодействия в системе «общество – природа» и она находится на стыке с гуманитарными науками.

2. Монография М.И. Будыко «Глобальная экология» (1977г.), которая определила начало нового направления с аналогичным названием.

Оно рассматривает глобальные аспекты экологической проблемы: климатические, количество ресурсов, глобальные показатели загрязнения природной среды, «парниковый» эффект, глобальные кругообороты химических элементов в их взаимодействии, влияние космоса на Землю, состояние озонового щита в атмосфере, функционирование Земли как единого целого и т.п.

Исследования в данном направлении предполагают, конечно, интенсивное международное сотрудничество.

3. Предметом третьего направления - экологии человека – является система отношений человека как индивида с природной средой. Она изучает медицинские и демографические аспекты воздействия измененной природы на здоровье человека. В экологию человека входят генетико-анатомо- физиологический и медико-биологический блоки, отсутствующие в социальной экологии.

Задачи общей экологии.

В теоретической области экология пытается найти общие закономерности организации жизни путем:

1) разработки теории устойчивости экосистем;

2) изучения экологических механизмов адаптации к среде;

3) исследования регуляции численности популяций;

4) изучения биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

5) исследования продукционных процессов;

6) моделирования состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи, связанные с воздействием общества на природную среду, решает социальная экология:

1) прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий деятельности человека;

2) улучшение качества окружающей среды;

3) сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

4) оптимизация деятельности общества по преобразованию природы в различных направлениях для обеспечения его устойчивого развития.

Антропогенные факторы.

Антропогенные факторы вызываются человеческой деятельностью. Они всегда (или почти всегда) неблагоприятны для экосистем и поэтому называются загрязнениями:

1. ингредиентное загрязнение – внесение химических веществ, чуждых сообществам;

2. параметрическое загрязнение – тепловые и электромагнитные поля, шум и др.;

3. биоценотическое загрязнение – вмешательство в сообщества, например, внесение новых видов, перепромысел и др.;

4. стациально-деструктивное загрязнение – изменение ландшафтов: добыча ископаемых, строительство городов, дорог и др.

Лекция 3. Функционирование экосистем.

Пищевая цепь и типы питания.

В природе существует два основных типа питания – автотрофный и гетеротрофный.

Автотрофы (растения и некоторые виды бактерий) создают органическое вещество своего тела из неорганического в результате процессов фотосинтеза или хемосинтеза (реже).

Гетеротрофы используют чужое органическое вещество, которое получают в процессе питания.

Благодаря системе взаимодействий (экологических факторов) у экосистем появляются новые свойства, главное из которых – способность к самоподдержанию, что осуществляется благодаря круговороту веществ и потоку энергии в пищевых (трофических) цепях.

Пищевая цепь включает продуцентов, фотосинтезирующих растений и бактерий, способных создавать органическое вещество из неорганического за счет энергии Солнца; консументов – потребителей созданного продуцентами органического вещества: редуцентов – разлагателей мертвого органического вещества.

Пищевые цепи бывают двух типов – пастбищные и детритные.

Пастбищная пищевая цепь начинается с продуцентов и заканчивается консументами высоких порядков.

Детритная цепь начинается с мертвой органики (детрита), трансформируется через детритофагов I порядка (бактерии) к детритофагам II порядка (черви, личинки насекомых и др.), а затем переходит к консументам, где образует единую систему с пастбищной цепью.

Экологические пирамиды.

Пищевые цепи могут быть записаны в иной форме – как пирамиды.

Экологическая пирамида, представляющая собой трофическую структуру, основанием которой служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды, может быть трех основных типов:

1) пирамида чисел, отражающая численность отдельных организмов;

2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой вес, калорийность или другую меру общего количества живого вещества;

3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и (или) “продуктивность” на последовательных трофических уровнях».

Если пирамиды численностей и биомассы могут быть перевернутыми (последующий уровень шире предыдущего), то энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется на каждом последующем уровне.

Продуктивность экосистем.

Важнейшей характеристикой экосистемы является ее продуктивность, под которой понимается как рост организмов, так и создание органического вещества. В продукт фотосинтеза превращается от 1 до 2% поглощенной растениями солнечной энергии.

Среди произведенной в процессе фотосинтеза продукции выделяют первичную продуктивность, которая определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами, главным образом зелеными растениями.

Ее разделяют на валовую первичную продукцию (ВПП), включая ту органику, которая была израсходована на дыхание, и чистую первичную продукцию (ЧПП) - за вычетом использованной при дыхании растений (40-70%).

Чистая продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами. Скорость накопления энергии на уровне консументов называют вторичной продуктивностью. В соответствии со вторым началом термодинамики поток энергии с каждой ступенью уменьшается, так как при превращениях одной формы энергии в другую часть энергии теряется в виде тепла.

В стабильных сообществах практически вся продукция тратится в пищевых цепях, и биомасса сообщества остается постоянной.

Эффективность природных систем много ниже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего» уходит на «ремонт» (что, кстати, не учитывается при расчете КПД двигателей).

Любое повышение эффективности биологических систем оборачивается увеличением затрат на их поддержание. Экологическая система - это машина, из которой нельзя «выжать» больше, чем она способна дать. Всегда наступает предел, после которого выигрыш от роста эффективности сводится на «нет» ростом расходов и риском разрушения системы.

Закон сукцессии.

В масштабах времени экосистемы не остаются неизменными, они меняются по определенным законам и эти изменения называются сукцессией.

Сукцессия – это последовательное смена сообществ, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием внутренних причин.

Сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества, т.е. контролируется им.

Замещение видов в экосистемах вызывается тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами. Такое равновесное сообщество называется зрелым, или климаксным.

Сукцессия в энергетическом смысле связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы.

Сукцессия состоит из стадий роста, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности: на первой стадии продукция растет до максимума, на второй остается постоянной, на третьей уменьшается до нуля по мере деградации системы.

Стратегия экосистем – «наибольшая защита», стратегия человека – «максимум продукции».

Естественная сукцессия, о которой говорилось в начале данной лекции, является первичной сукцессией. Она происходит на первично свободном субстрате.

Вторичная (антропогенная) сукцессия является следствием деятельности человека и происходит быстрее первичной. Она возникает на вырубках и после пожаров в лесу, при рекультивации в местах добычи полезных ископаемых, на пастбищах при перевыпасе, в рекреационных зонах, а также как цветение пресных водоемов из-за избыточного стока удобрений с полей.

Сукцессии разномасштабны и иерархичны: они происходят не только на обширных территориях суши, но на стволах деревьев и в пнях, не только в океанах, но в лужах и прудах.

Коэволюция в экосистемах.

Коэволюция, или «сопряженная эволюция - это тип эволюции сообщества (т.е. эволюционных взаимодействий между организмами, при которых обмен генетической информацией между компонентами минимален или отсутствует), заключающийся во взаимных селективных воздействиях друг на друга двух больших групп организмов, находящихся в тесной экологической взаимозависимости».

Ю. Одум подчеркивает два важных принципа, лежащих в основе коэволюции:

1) в ходе развития экосистем существует тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий (конкуренции и эксплуатации) за счет положительных, увеличивающих выживание взаимодействующих видов;

2) в недавно сформировавшихся или новых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях.

Социоприродные экосистемы.

Существует два основных типа социоприродных систем, созданных человеком, – агросистемы и урбосистемы.

С экологической точки зрения, основным отличием от естественных экосистем является то, что агросистема нуждается в постоянном управлении, а урбосистма – аномальна, так как полностью зависит от поступления вещества и энергии из окружающих экосистем.

Лекция 7. Понятие биосферы.

Раздел 2.Социальная экология. Содержание и причины глобальных проблем современности.

Методы социальной экологии.

Поскольку социальная экология является переходной наукой между естественными и гуманитарными, постольку в своей методологии она должна использовать методы и естественных, и гуманитарных наук, а также те методологии, которые представляют собой единство естественнонаучного и гуманитарного подхода. Что же касается общенаучных методов, то ознакомление с историей социальной экологии показывает, что первоначально использовался преимущественно метод наблюдения (мониторинг), позже на первый план вышел метод моделирования. Моделирование есть способ долгосрочного и комплексного видения мира. В современном его понимании это универсальная процедура постижения и преобразования мира. Нет одной «жесткой» мировой модели. Модель, как только она возникает, постоянно критикуется и пополняется данными по мере того, как можно лучше ее понять. Ценность модели определяется лишь той точкой на каждом из графиков, которая соответствует прекращению роста и началу катастрофы.

Законы социальной экологии.

Понятие закона трактуется большинством методологов в смысле однозначной причинно-следственной связи. Более широкую трактовку понятия закона как ограничения разнообразия дает кибернетика, и она больше подходит к социальной экологии, выявляющей фундаментальные ограничения человеческой деятельности.

Адаптационные возможности биосферы, позволяющие компенсировать нарушения экологических закономерностей до достижения определенного порога, делают экологические императивы необходимыми.

Главный из них можно сформулировать так: преобразование природы должно соответствовать ее адаптационным возможностям. Большинство законов социальной экологии относятся к типу законов как ограничения разнообразия, т.е. накладывают ограничения на природопреобразовательную деятельность человека.

Они таковы:

1. Правило исторического роста продукции за счет сукцессионного омоложения экосистем, это правило следует из основного закона экологии, но сейчас уже перестает работать, так как человек взял от природы все, что мог.

2. Закон бумеранга: все, что извлечено из биосферы человеческим трудом, должно быть возвращено ей.

3. Закон незаменимости биосферы: биосферу нельзя заменить искусственной средой, как, скажем, нельзя создать новые виды жизни.

4. Закон убывающего естественного плодородия;

5. Закон «шагреневой кожи»: глобальный исходный природно- ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается. Это следует из того, что никаких принципиально новых ресурсов, которые могли бы появиться в настоящее время, нет.

6. Принцип неполноты информации: информация при проведении акций по преобразованию и вообще любому изменению природы всегда недостаточна для априорного суждения обо всех возможных результатах таких действий, особенно в далекой перспективе, когда разовьются все природные цепные реакции.

7. Принцип обманчивого благополучия: первые успехи в осуществлении цели, ради которой и был задуман проект, создают атмосферу благодушия и заставляют забыть о возможных отрицательных последствиях, которых никто не ждет.

8. Принцип удаленности события: потомки что-нибудь придумают для предотвращения возможных отрицательных последствий.

Законы, сформулированные как экологические императивы, предложены американским экологом Б. Коммонером: «Все связано со всем», «Все надо куда-то девать», «За все надо платить», «Природа знает лучше»

Энергетическая проблема.

Энергоресурсы отличаются от других ресурсов Земли тем, что они расходуются безвозвратно.

Энергетическая проблема видится в настоящее время состоящей из трех проблем: истощения энергоресурсов, создания технологий сбережения и альтернативной энергетики.

Расчетные суммарные запасы нефти на Земле составляют 1800 гигабаррелей, человечество потребило немногим более половины запаса, а к 2023 г потребит 80%.

Повышение эффективности использования энергии в промышленности и ЖКХ – это первоочередная задача в нашей стране.

Альтернативная энергетика постепенно отвоевывает позиции в структуре энергопотребления: широкое распространение получила ветровая энергетика; гелиоэнергетика.

Проблема кислотных дождей.

Определение pH осадков в середине XIX в. дало неожиданный результат - среда капель дождя оказалось слабокислой, а не нейтральной. Позже было найдено объяснение: некоторые газы, соединяясь с водой в верхних слоях атмосферы, образуют кислоты.

Причиной резкого роста концентраций сернистого газа является сжигание энергоресурсов.

Негативные последствия кислотных дождей многообразны: подкисление почв; повреждение тканей и листвы, ведущее к болезням; подкисление водоемов.

Глобальное моделирование.

Первые попытки создания глобальных моделей будущего развития человечества были осуществлены Дж. Форрестером и группой Д. Медоуза на основе разработанного Форрестером метода системной динамики, позволяющего исследовать поведение сложной структуры взаимосвязанных переменных. Модели мира состояли из пяти секторов (уровней): народонаселение, промышленное производство, сельскохозяйственное производство, природные ресурсы, состояние природной среды.

Компьютерное моделирование, проведенное в Массачусетском технологическом институте (США), показало, что при отсутствии социально- политических изменений в мире и сохранении его технико-экономических тенденций быстрое истощение природных ресурсов вызовет около 2030 года замедление роста промышленности и сельского хозяйства и в результате - резкое падение численности населения. Если предположить, что достижения науки и техники обеспечат возможность получения неограниченного количества ресурсов, катастрофа наступает от чрезмерного загрязнения окружающей среды. При допущении, что общество сможет решить задачу охраны природы, рост населения и выпуска продукции будет продолжаться до тех пор, пока не исчерпаются резервы пахотной земли, а затем, как во всех предыдущих вариантах, наступает коллапс. Катастрофа неминуема, потому что все пять опасных для человечества тенденций растут по экспоненте, и беда может подкрасться незаметно и актуализироваться, когда поздно будет что-либо сделать.

Основываясь на своих результатах, создатели моделей считали необходимым создать глобальное равновесие и дали в последней главе своей книги «Пределы роста» следующие рекомендации по предотвращению грозящей опасности:

1) стабилизировать численность населения планеты;

2) законсервировать промышленное и сельскохозяйственное производство на современном уровне (1970-е);

3) 10% прибыли от добычи нефти расходовать на исследования в области альтернативных технологий.

Глобальное равновесие, как считают Медоуз и его коллеги, не будет означать застоя, ибо человеческая деятельность, не требующая большого расхода невосполнимых ресурсов и не приводящая к деградации природной среды, может развиваться неограниченно.

Концепция «пределов роста» имеет позитивное значение в социально- политическом плане, поскольку направлена на критику основополагающего принципа капитализма - ориентации на безудержный рост материального производства и потребления.

Можно говорить о пределах роста в определенных направлениях, но не об абсолютных пределах. Задача заключается в предвидении опасностей роста в каких-либо направлениях и выборе путей гибкой переориентации развития. В методологическом плане критике был подвергнут высокий уровень осреднения переменных, характеризующих процессы, протекающие в мире.

Авторы «Пределов роста» признают, что, возможно, объем человеческих знаний, так же, как население и экономика мира, растет экспоненциально, но из этого, по их мнению, не следует, что технологическое применение знания тоже растет по экспоненте.

В моделях мира не представлена возможность целенаправленного воздействия на социально-экономическую систему в случае ее развития в нежелательном направлении: поведение общества запрограммировано как неизменное. Отсутствие социальной обратной связи в модели не позволило представить в ней защитные механизмы, препятствующие катастрофе. Критический анализ моделей Форрестера и Медоуза выявил положительные и отрицательные стороны их работы, которую в целом следует оценить как негативное моделирование, показавшее, что грозит человечеству в случае сохранения и развертывания некоторых негативных тенденций технико-экономического развития при отсутствии принципиальных научно-технических и социокультурных изменений в мире.

Однако, у Форрестера и Медоуза отсутствует то, что можно назвать важнейшим методологическим принципом позитивного моделирования - конструктивный преобразовательный аспект. Не было учтено также, что модель должна конструироваться таким образом, чтобы учитывалась не только вероятность данного развития событий (точнее, возможность осуществления нескольких вариантов с разной степенью вероятности), но и, так сказать, желательность данной реконструкции природной среды.

Несмотря на серьезную критику моделей мира попытки глобального моделирования продолжались. М. Месаровичем и Э. Пестелем на основе методики «иерархических систем» была построена регионализированная модель, в которой мир разделен на 10 регионов. Каждый из этих регионов, в свою очередь, разделен на взаимодействующие иерархические сферы или страты: экологическую; технологическую; демо-экономическую; социально-политическую; индивидуальную.

Результаты их моделирования показали, что можно ожидать не одну глобальную, а несколько региональных катастроф. Месарович и Пестель отмечают, что основной причиной экологических опасностей является стремление к количественному экспоненциальному росту без качественных преобразований экономической системы. Авторы полагают, что мировую систему следует рассматривать как единое целое, в котором все процессы настолько взаимосвязаны, что промышленный рост каких-либо регионов без учета изменений в других регионах может вывести мировую экономическую систему из устойчивого состояния.

Глобальные модели Месаровича и Пестеля показали, что угроза экологической катастрофы отодвигается при органичном сбалансированном росте всей мировой системы. Наиболее приемлемыми оказались модельные варианты взаимодействия между регионами, в которых действие развивалось по сценариям кооперации.

Концепции «пределов роста» Месарович и Пестель противопоставили концепцию «органического роста», считая, что экологические трудности могут быть преодолены без отказа от роста мировой экономической системы в том случае, если рост будет сбалансированным и органичным, наподобие, скажем, роста дерева. Указанные концепции не являются диаметрально противоположными. Пределы роста существуют, но возможности его увеличиваются, если он сбалансирован, а это требует качественных изменений.

Глобальные модели типа модели органического роста, являясь в большей степени позитивными, привели к формированию концепции устойчивого развития, которая сформулирована на конференции по окружающей среде ООН, происходившей в Рио-де-Жанейро в 1992 г.

Здоровье населения.

Что и сколько можно изымать из биосферы, а что нельзя - определяется с помощью моделирования. Изъятие максимального количества приводит не только к исчерпанию ресурса, но и к ухудшению качества продукции.

Понятие здоровья было сформулировано еще в античности: «Это состояние психического и физического благополучия, которое дает человеку возможность стойко и не теряя самообладания переносить любые жизненные невзгоды» (Перикл, V в. до н.э.).

От индивидуального здоровья следует отличать популяционное, или общественное, здоровье, которое характеризуется такими показателями, как средняя продолжительность жизни, естественный прирост, младенческая смертность и др.

Их воздействие менялось в истории отношений человека с природной средой. Для человека эпохи палеолита главными причинами смерти были – травмы, полученные на охоте и при стычках с другими людьми, а на втором месте – голод, а средняя продолжительность его жизни не превышала 26 лет. Недостаток пищи ограничивал численность совместно проживающих людей. неолите произошел переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству и оседлому образу жизни. Оседлый образ жизни способствовал появлению постоянных поселений - деревень, мест наиболее интенсивного воздействия человека на окружающую среду и взаимодействия людей между собой. Продовольствие уже не ограничивало численность населения и главным регулирующим фактором становятся болезни. Скопление относительно большого количества людей на ограниченных площадях создавало условия для распространения среди них различных инфекционных болезней.

Гигиена здоровья.

Санитарная экспертиза качества пищевых продуктов, воды и предметов бытового обихода. Современный раздел гигиены - валеология - «это теория и практика формирования, сохранения и укрепления здоровья индивида с использованием медицинских и парамедицинских технологий».

Биосфера - устойчивая экологическая система, которая существует на Земле около 4 млрд лет, но в последние сто лет воздействие человека на биосферу нарастает огромными темпами. Почти все антропогенные воздействия негативно влияют на природу, за исключением таких, которые способствуют восстановлению разрушенных экосистем.

Суммарную антропогенную деятельность, таким образом, можно назвать загрязнением природы. Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое является результатом человеческой деятельности и меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ.

Загрязнение гидросферы.

Существование биосферы и жизнь человечества всегда было основано на использовании воды. Современное загрязнение гидросферы слагается из двух составляющих – собственно загрязнения и исчерпания пресных вод. Основными загрязнителями вод являются химические, биологические и физические загрязнители.

До определенного предела морские экосистемы могут противостоять вредным воздействиям токсичных веществ, используя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов, но затем порог превышается и начинается отравление среды.

Под исчерпанием вод понимается их недопустимое сокращение (подземные воды) или уменьшение стока (поверхностные воды). Практически во всех крупных городах формируются так называемые депрессионные воронки – пустоты (глубиной до 100 м), вызванные интенсивной эксплуатацией мощными водозаборами, что грозит городу проседанием почв. Изъятие на хозяйственные нужды большого количества поверхностных вод ведет к региональным кризисам. Осушенное дно стало источником пыльных бурь и засоления окружающих территорий.

Загрязнение литосферы.

Техногенные загрязнение затрагивают такие составляющие литосферы, как почва, горные породы и недра. Почва является основным звеном круговорота веществ в экосистемах: здесь высвобождается энергия и накапливаются биогенные элементы.

Основные проблемы почв:

1) эрозия: разрушение или снос верхних слоев почв ветровыми (ветровая) или водными (водная) потоками;

2) загрязнение пестицидами, минеральными удобрениями, нефтепродуктами и т.п.;

3) засоление почв в результате чрезмерного полива;

4) опустынивание – необратимое изменение почвы, растительности и всей биоты, которое возникает в результате непрекращающейся эрозии почв;

Недра не только являются источником ресурсов и местом захоронения отходов, но частью среды обитания человека и других живых существ. Разработка недр оказывает вредное влияние практически на все компоненты наземных экосистем.

Загрязнение атмосферы.

Регуляцию народонаселения.

Экологически обоснованное рациональное природопользование требует комплексного сочетания работы по пяти основным направлениям:

1) экологизация технологий (экологически чистые, безотходные);

2) развитие экономического механизма охраны среды;

3) административно-правовое воздействие;

4) экологическое просвещение;

Экологический мониторинг.

Существуют также комплексные нормативы качества окружающей среды, не приводящие к нарушению устойчивости экосистем, одними из главных среди них являются нормативы допустимой антропогенной нагрузки (НДАН), которые могут быть рассчитаны как для определенной территории, так и для конкретного промышленного объекта.

Охрана гидросферы.

Охрана литосферы.

Для борьбы с эрозией применяется комплекс мер: полосное земледелие, почвозащитные севообороты, облесение оврагов и др. Для предотвращения загрязнения пестицидами используют экологические методы защиты растений, не применяют особо стойкие пестициды.

В конце ХХ в. возникли концепции ресурсовозобновляющих технологий (РВТ), практическое решение которых привело к созданию на многопрофильных комбинатов, способных перерабатывать все виды антропогенных отходов.

Охрана атмосферы.

Меры для защиты воздушного бассейна таковы:

1) экологизация технологических процессов и снижение выбросов (непрерывные технологические процессы, предварительная очистка сырья от примесей);

2) очистка газовых выбросов;

3) рассеивание газовых выбросов (за счет высоких дымовых труб);

Уровни биоразнообразия.

Биоразнообразие имеет три составляющих:

1) генетическое разнообразие индивидов;

2) видовое разнообразие;

На уровне экосистем - нарушение энергетических потоков (в результате изменения и упрощения трофических цепей), изменение биогеохимических циклов, сокращение числа видов, снижение устойчивости экосистем, гибель.

Экологическое сознание.

Философия ХХ в. в лице, прежде всего, экзистенциализма призвала отказаться от присущего новоевропейской культуре агрессивности и подошла к пониманию важнейшего значения природной среды для существования и развития человечества.

Одним из основоположников экологического мировоззрения может быть назван А. Швейцер с его концепцией «благоговения перед жизнью». Можно говорить и собственно об экологической философии как направлении исследований с характеризующим его понятием «глубинной экологии». Предлагаются термины экософия, ноософия, витософия и др.; исходя из философских оснований, экологические философы пытаются сформулировать некие «правила жизни» как совокупность экологических заповедей.

Исторически первой отраслью духовной культуры была культура невидимая - мистика. Опасность экологической катастрофы, актуализировавшаяся в современной экологической ситуации, способствовала возрождению мистических взглядов. Само появление мифологии было объясняемо стремлением человека, хотя бы в идеальной форме, вернуться к изначальному единству с природой, таким образом, мифология по сути своей экологична. Также и все древнейшие религии основаны на обожествлении природных явлений.

Экологическая наука и основанная на ней техника могут пониматься в двух смыслах: во-первых, в плане приоритета, отданного изучению закономерностей взаимодействия человека и природы, и, во- вторых, в плане перестройки всей науки и техники как системы знаний.

Экологизация воспитания и образования, по Н.Ф. Реймерсу, достигается созданием комплекса природоохранного и экологического обучения. Основные постулаты экологического мировоззрения таковы:

- всякая жизнь самоценна, уникальна и неповторима, человек отвечает за все живое;

- природа всегда была и будет сильнее человека;

- биосфера остается устойчивой, пока она разнообразна;

Если все оставить так, как есть, «Земля ответит одуревшему человечеству неотразимым ударом на уничтожение» (Реймерс);

- выбор «иметь» или «быть» является реальностью нашего времени.

Устойчивое развитие – это такое развитие человечества, при котором удовлетворяются потребности настоящего времени, но не ставятся под угрозу способности будущих поколений удовлетворять свои потребности.

Оно включает два основных понятия:

Понятие потребностей, в частности потребностей, необходимых для существования беднейших слоев населения, которые должны быть предметом первостепенного приоритета;