Экология - наука, изучающая взаимоотношения между организмами и их взаимодействие с окружающей средой. Экология изучает распространение живых организмов в пространстве, изменение численности организмов, потока энергии в сообществах, круговорот веществ, происходящий при участии живых организмов, адаптации организмов к абиотическим факторам.
Экология изучает взаимодействия на организменном (аутэкология) уровне, популяционном (демэкология), на уровне биоценозов (синэкология), био- геоценотическом (биогеоценология) и биосферном (биосферология) уровнях.
Аутэкология - экология особи (изучает взаимоотношения организма оп-ределенного вида с окружающей его средой и действие среды на морфологию, физиологию и поведение организма). Демэкология (популяционная экология) - изучает структуру и динамику отдельных популяций, определяет пределы устойчивости существования вида, внутривидовые отношения, адаптивные формы и т.д. Синэкология (биоценология) - экология сообществ анализирует весь комплекс взаимоотношений между различными популяциями, цепи питания и YJL Биогеоценология - изучает взаимодействие биотических и абиотических факторов в экосистеме на уровне биоценоза, биогенную миграцию химических элементов, изменение и смену сообществ и т.д. Биосферология - изучает глобальные процессы в биосфере, связанные с жизнедеятельностью живых организмов.
Организмы одного вида формируют популяции, различные популяции формируют сообщества. Сообщество в совокупности с неживыми компонентами среды, с которой оно взаимодействует, составляет экосистему. Экосистема - совокупность взаимодействующих живых организмов и факторов среды, функционирующая как единое целое за счёт обмена веществом, энергией и информацией. Термин «экосистема» предложен английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.
Самостоятельной сбалансированной экосистемой является биогеоценоз (рис. 22). Термин биогеоценоз предложен в 1940 г. акад. В.Н. Сукачёвым. Биогеоценоз - это целостная саморегулирующаяся система, представляющая собой совокупность живых и неживых элементов определенной территории. В состав биогеоценоза входит: 1. Биотическая часть (биоценоз) - совокупность живых организмов (продуцентов, редуцентов, консументов). 2. Абиотическая часть (экотоп) - совокупность факторов неживой среды.
Продуценты (автотрофы) - в основном растительные организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических (углекислого газа и воды), фиксирующие солнечную энергию, превращающие ее в потенциальную энергию химических связей, синтезированных органических веществ, с выделением кислорода. Консументы (потребители) - это гетеротрофные организмы, потребители органического вещества. Консументы подразделяются на: Консументы первого порядка - животные, питающиеся непосредственно продуцентами (фитофаги, травоядные). Консументы второго порядка - животные, питающиеся травоядными (зоофаги, хищники). Консументы третьего порядка - животные, которые питаются плотоядными и травоядными (вторичные хищники). Выделяют консументы 4 и 5 порядков, обычно 5 порядок консументов максимальный. Редуценты (деструкторы) - это гетеротрофные организмы (бактерии,
грибы), разрушающие остатки животных и растений, превращая их в простые
соединения. Пищевая цепь - функциональная единица биогеоценоза, в которой осу-
ществляется передача энергии солнца, заключённой в пищевом субстрате, меж-
ду организмами - от продуцентов до консументов высшего порядка (рис.23).
Такая пищевая цепь называется пастбищной. Её можно схематически изобра-
зить в виде пирамиды, состоящей из нескольких трофических уровней (чаще не
более 5), основанием которой являются продуценты (1 уровень), а вершиной -
крупные плотоядные животные.
На каждом последующем уровне число особей, их биомасса прогрессивно уменьшаются, т.к. 85-95%
энергии пищи затрачивается на процессы жизнедеятельности организмови на построение и обновление их
8 структур. Кроме того, часть энергии в
виде тепла рассеивается в пространстве. Таким образом, на следующий
трофический уровень переходит не
более 10-15% энергии. После гибели
организмов органическое вещество
минерализируется благодаря деятельности редуцентов - детритная пищевая цепь; минеральные вещества почвы служат пищей для продуцентов,
Различают экологические пирамиды энергии, массы и численности. Все пирамиды имеют широкое
основание и вершину (исключение
составляет пирамида численности для
паразитов), что отражает потери
энергии, массы и числа видов в трофических уровнях.
Пищевые цепи в биоценозе могут перекрещиваться, образуя слоные пищевые сети. Одни и те же ор-ганизмы могут питаться как растительной, так и животной пищей и, следовательно, быть консументами I и II порядка. Чем больше число связей между видами в пищевой сети, тем более устойчива экосистема. Нарушение любого звена сети отражается на экосистеме в целом.
Чем более разнообразен иоиуляционный состав биогеоценоза, тем более сложные взаимодействия осуществляются в нем между организмами, проявляющиеся в борьбе за существование с биотическими и абиотическими факто
рами среды. В результате, каждый вид занимает в биогеоценозе свою экологическую нишу.
Экологическая ниша - это совокупность необходимых условий для су-ществования вида (жизненное пространство, физико-химические параметры среды, наличие пищевых ресурсов, взаимодействия с другими организмами и т.п.).
Совокупность абиотических факторов формирует биотоп (экотоп). К ним относятся свет, температура, влажность, кислотность, соленость, рельеф, ветер, воздух, давление, долгота дня, радиация и т.д. Для разных видов степень воздействия одинаковых факторов различна, а также, возможно, необходимо влияние других факторов. Для выживания вида имеется определённый диапазон между минимальным и максимальным значением конкретного средового фактора - это предел выносливости (толерантности), за которым наступает гибель. Наиболее благоприятное значение фактора для жизнедеятельности организмов данного вида называется оптимум.
Вид, популяция, особь испытывают одновременное воздействие многих факторов, отклонение за пределы выносливости всего лишь одного фактора приведет к гибели организмов. Такие факторы называются лимитирующими. Так, основными лимитирующими факторами, определяющими тип растительности, является количество осадков и среднегодовая температура среды.
Влияние живых организмов на экотоп многообразно, но в сбалансированной экосистеме существенных изменений оно не вызывает и условия существования видов остаются стабильными.
Энергетические потребности экосистемы обеспечиваются энергией солнца, которая используется растениями (продуцентами) для образования первичного органического продукта. Растения, таким образом, являются первым звеном (уровнем) в пищевой цепи.
Все экосистемы на Земле являются компонентами одной, глобальной эко-системы - биосферы.
Биосфера
Со времени возникновения жизни на Земле образовалась особая оболочка, которая заселена живыми организмами или носит следы их жизнедеятельности. Эта область распространения жизни была названа биосферой (Зюсс, 1875 г.). Разработал учение о биосфере, как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических превращений определяется живым веществом, Владимир Иванович Вернадский ("Биосфера" 1926 г,). Только в биосфере имеется жизнь, и только биосфера способна улавливать и использовать солнечную энергию.
В биосферу входят: воздушная оболочка - нижняя часть атмосферы (тропосфера), твёрдая оболочка - верхний слой литосферы, и водная оболочка - гидросфера. Наиболее густо заселён узкий слой биосферы (плёнка жизни) на границе атмосферы и литосферы, а также верхняя часть гидросферы. Воздушная оболочка.Верхняя граница жизни в атмосфере доходит до высоты около 22 км. (20-25), где ещё обнаруживаются живые организмы, занесенные восходящими потоками воздуха. Именно на этой высоте находится максимальная концентрация озона. Все живое, поднявшееся выше за озоновый экран, уничтожается жестким ультрафиолетовым (коротковолновым) излучением. Своему существованию озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых лучей. Он защищает все живое на Земле от губительного действия этих лучей. Химический состав атмосферы регулируется деятельностью живых организмов и протеканием геохимических процессов на планете. Из четырех основных газов атмосферы (азот - 78%, кислород - 21%, углекислый газ - 0,03%, аргон - 0,9%) только аргон не связан с жизнедеятельностью организмов. Водная оболочка - гидросфера. Гидросфера занимает 70% поверхности Земли. Нижняя граница жизни определяется глубиной мирового океана и достигает 11 км. Химический состав гидросферы формируется под действием организмов непосредственно или опосредовано. 96,5% воды гидросферы сосредоточено в океанах, 1,7% это льды, 1,7% подземные воды и др. Пресной воды в гидросфере всего 2,8%, из них 62% сосредоточено в Антарктиде в виде льда. Твердая оболочка - верхняя часть литосферы. Максимальное количество организмов литосферы сосредоточено в почве, максимальной толщиной всего в несколько метров. Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород, которые подвергаются действию климатических факторов, микроорганизмов, растений и животных. Разрушение пород, плюс отмирание и разложение животных и растений приводит к аккумулированию биогенных элементов и накоплению неполностью разложившихся органических веществ (гумус). Эти процессы формируют почву.
Вследствие движения земной коры, в литосфере жизнь обнаружена до глубины 7500 м. Органогенное происхождение в литосфере имеют: карбонатные породы (известняки, доломиты, мрамор, мел), кремнистые породы (диатомит), каустобиолиты (угли, горючие сланцы, нефть, газ, асфальты, торфы, са- пропели) и другие ископаемые (марганцевые, железные, сернистые руды, фосфориты и др.). Компоненты биосферы. В состав биосферы входят: живое вещество (термин предложен В.И.Вернадским) - совокупность всех организмов в целом (биомасса планеты) и неживое вещество. Последнее включает: Биогенное вещество - создается и преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов, биологически неактивно (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и т.д.); Биокосное вещество - результат совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (Пр.: почва); Косное вещество - образуется без участия живых организмов (например, в результате извержения горных пород); Радиоактивное вещество; Рассеянные атомы; Вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).
Живое вещество составляет 0,01% массы земной коры. Распределение живых организмов на поверхности Земли неравномерно. Масса живого вещества поверхности суши составляет 99,87%, соответственно водной среды 0,13%. Биомасса растений 99%, животных 1%. Человечество от всей биомассы составляет 0,0002%. Биотический круговорот. Живое и неживое в биосфере находятся в по-стоянном взаимодействии и изменении. Совершается непрерывный круговорот химических элементов - биогенная миграция атомов, наибольший удельный вес в этом процессе принадлежит живому веществу. Биотический круговорот веществ обеспечивал баланс между автотрофами и гетеротрофами в экосистемах в течение многих миллионов лет, формируя стабильные сообщества (рис. 24).
Источником энергии в круговороте веществ является энергия Солнца. Один и тот же элемент многократно используется для построения живой материи. Новый цикл круговорота никогда не является точной копией предыдущего цикла, есть какие-то, пусть малозаметные, изменения; с каждым последующим циклом отличия накапливаются и приводят к заметным изменениям. Таким образом и происходит эволюция биосферы. Основное значение имеет круговорот углерода (рис. 25), азота, кислорода и др. Благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.
Круговорот углерода. Углекислый газ (диоксид углерода) необходим для процесса фотосинтеза. Он содержится в атмосфере и растворен в воде. В процессе фотосинтеза включается в органические соединения, поступающие в цепи питания через живые и мертвые ткани растений, и возвращается в атмосферу в виде продуктов сгорания, дыхания и брожения. Круговорот азота. Азот — основной компонент нуклеиновых кислот и белка. Азот усваивается растениями из почвы, где неусвояемый свободный атмосферный азот преобразуется азотофиксирующими бактериями и синезелеными водорослями в доступные химические соединения. Азот так же преобразуется редуцентами из мертвого органического вещества. Круговорот кислорода. Свободный кислород атмосферы расходуется на процессы дыхания растениями и животными, на окисление и другие различные
химические процессы. В результате процессов дыхания и окисления образуется углекислый газ, который используется растениями в процессе фотосинтеза, а образующийся при этом свободный кислород поступает в атмосферу. Считается, что полный цикл круговорота кислорода на Земле составляет около 2000 лет. В год потребляется около 2,16 х 1019 т кислорода, поступает в результате фотосинтеза— 1,55 х 109 т.
Круговорот фосфора и серы. В результате выветривания горных пород фосфор и сера поступают в почву и усваиваются растениями, далее поступая в пищевые цепи. Фосфор и сера со стоком вод поступают в океаны, где усваиваются водорослями. С отмершими организмами они накапливаются в осадочных морских отложениях. Геологические процессы — образование биогенных осадочных пород (угля, нефти, известняков, фосфоритов) — частично и на длительное время исключают из круговорота ряд элементов.
С появлением человека, с развитием его хозяйственной и производственной деятельности антропогенное влияние на экосистемы и биосферу приобретало всё большее значение и, наконец, стало столь мощной геохимической силой, что природная среда начала изменяться с ускорением, а часто и разрушаться. Антропогенное влияние вызывает изменения во всех оболочках биосферы и может иметь индивидуальные (мутации, интоксикации, злокачественные опухоли, тератогенные эффекты...), локальные (смоги, кислотные осадки ...) и глобальные (парниковый эффект, нарушение озонового экрана, загрязнение мирового океана...) последствия. Вокруг человека формируется техносфера, загрязненная токсичными, мутагенными и канцерогенными веществами, ксенобиотиками. Загрязнение биосферы имеет медицинское и генетическое значение и отражается на здоровье живущего поколения и следующих поколений. В первую очередь это относится к урбанизированным регионам.
Человечество уже осознало опасные последствия такого неразумного воздействия на биосферу и предпринимает шаги к минимизации антропогенного давления на природу, разумного использования её ресурсов, восстановления и возобновления естественной среды обитания, к сохранению баланса и стабильности в биосфере.
В 1971 г. Барри Коммонер в своей книге «Замкнутый круг: Природа, Человек и Технология» (The Closing Circle: Nature, Men, and Technology) сформулирован 4 основных закона экологии. Они максимально универсальны: Первый закон «Все связанно со всем» отражает существование сложнейшей сети взаимодействий в природе. Он предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям. Второй закон «Все должно куда-то деваться» вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Он позволяет по-новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные количества веществ из
влечены из Земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что «все куда-то девается». И как результат - большие количества веществ зачастую накапливаются там, где по природе их не должно быть. Третий закон «Природа знает лучше» исходит из того, что «структура ор-ганизма нынешних живых существ или организмов современной природной экосистемы - наилучшее в том смысле, что они были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый вариант, скорее всего, будет хуже существующего ныне». Этот закон призывает к тщательному изучению естественных экосистем, сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее «улучшения». Четвертый закон «Ничто не дается даром» объединяет предшествующие три закона, потому что биосфера, как глобальная экосистема, представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть потеряно и, которая не может являться объектом улучшения, все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возвращено. Платежа по этому векселю нельзя избежать, он может быть только отсрочен. Закон имеет двойной смысл — одновременно призыв сблизится с природой и призыв крайне осторожно обращаться с природными системами.
Эволюция биосферы на современном этапе должна привести к формированию качественно нового её состояния - ноосферы, сферы разумного взаимодействия человека и природы. Ноосфера выходит за рамки биосферы Земли и становится сферой Солнечной системы, так как человек всё глубже осваивает космические просторы.
Сейчас только начальный этап рождения ноосферы, человек только учится целенаправленному, разумному воздействию на биосферу. На этом пути сделаны уже первые шаги. Запрещены испытания ядерного оружия в атмосфере и гидросфере. Приняты соглашения по очистке мирового океана от нефти. Приняты ограничения выброса многих химических веществ во внешнюю среду. Созданы национальные парки, заказники, биосферные заповедники. Созданы международные организации при ООН, ЮНЕСКО и ЮНЕП, координирующие и направляющие усилия разных стран в этом направлении. Объявлен "Всемирный день охраны окружающей среды" - 5 июня.
Но эти и другие мероприятия - только первые робкие шаги на пути сохранения гомеостаза биосферы.
