Предмет экологии

 

Экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище, местообитание и «логос» - учение, наука) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой.

История развития экологии

В истории развития экологии можно выделить три основных этапа.

Связь между организмами и окружающей средой (т.е. экологический подход) можно проследить в трудах некоторых ученых Древней Греции и Рима. Например, в постулате Эпикура говорится: «…нельзя насиловать Природу, следует повиноваться ей, необходимые желания исполняя, а также естественные, если они не вредят. А вредные сурово подавляя».

Первый этап – зарождение и становление экологии как науки (до середины 19 века). На этом этапе накапливались основные данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения. Накопление экологических знаний шло в основном в сфере ботаники, зоологии и анатомии. В 17 – 18 вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях. Первые представления о биосфере как области жизни и оболочке Земли даны Ж.-Б. Ламарком (1744-1829) в труде «Гидрология». Представления о динамике численности популяций содержаться в работах Т. Мальтуса (1798) и П.Ф. Ферхлюста. Ламарк (1744-1829) и Т. Мальтус (1766-1834)в своих работах впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

Термин «экология» впервые был в введен в 1866 г. немецким биологом, профессором Йенского университета Э. Геккелем (1834-1919). В своем труде «Всеобщая морфология» (1866) он писал: «Экология – это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими компонентами среды, включая антагонистические и неантагонистические отношения животных и растений, контактирующих друг с другом». Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809-1882). Сам термин «экология» стал применяться вскоре после выхода в 1859 году основного труда Чарльза Дарвина «Происхождение видов». То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношения живых существ с внешней, абиотической средой и между собой, т.е. с биотической средой.

Элементы экологического подхода также содержались в исследованиях русских ученых И.И. Лепехина, А.Ф. Миддендорфа, С.П. Крашенинникова, шведского естествоиспытателя К. Линнея, немецкого ученого Г. Йегера.

Второй этап – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х г.г. 19 в.). Началом этого этапа можно считать выход русских ученых К.Ф. Рулье (1814-1858), Н.А. Северцева (1827-1885), В.В. Докучаева (1846-1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий биоэкологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Особую роль в этот период можно отдать трудам В. Вернадского (1863-1945), который первым применил количественный анализ в экологии, раскрыл понятие о биосфере Земли (1926) в комплексе. В конце 70-х годов 19 века немецкий гидробиолог К. Мебиус (1877) водит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

В 30-40-е годы 20-го века экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных систем. В 1935 г. А. Тенсли выдвинул понятие об экосистеме. В 1940 г. В.Н. Сукачев обосновал близкое этому представление о биогеоценозе.

Следует отметить, что уровень отечественной экологии в 20-40-х г.г. был одним из самых передовых в мире, особенно в области фундаментальных разработок. В этот период в нашей стране работали такие выдающиеся ученые, как академик В.И. Вернадский и В.Н. Сукачев, а также крупные экологи В.В. Станчинский, Э.С. Бауэр, Г.Г. Гаузе, В.Н. Беклемишев, А.Н. Формозов, Д.Н. Кошкаров и др.

Третий этап (с 50-х г.г. 20 века до настоящего времени) – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науку об охране природной и окружающей человека среды.

Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых как Ю. Одум, Дж. М. Андерсен, Т. Миллер, Б. Небел и др. Среди отечественных ученых следует назвать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова и др.

Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того в область изучения входят: отдельные виды организмов (т.е. организменный уровень), популяции (популяционно-видовой уровень) и биосфера в целом (биосферный уровень).

В структуре современной экологии можно выделить три основные ветви (рис. 1).

		Экология

Рис. 1. Структура современной экологии

 

Основной, традиционной частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо).

В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

- аутоэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей его средой;

- популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутоэкологии;

- синэкологию (биоценологию) – изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде, и задачи стоят преимущественно биологического свойства, т.е. изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы.

Общую экологию нередко называют биоэкологией (когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность).

С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную.

По объектам и средам исследования выделяют экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.

В последнее время возросла роль и значение биосферы как объекта изучения. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Актуальность и многогранность этих проблем, вызванных обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к «экологизации» многих естественных, технических и гуманитарных наук. Развиваются такие новые направления как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология и др.

Соответственно более широкое толкование получил и сам термин «экология», а экологический подход при изучении взаимодействия человеческого общества и природы был признан основополагающим.

В связи с этим появились новые дисциплины:

- глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема;

- социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе «человеческое общество – природа» и как часть соц. экологии – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, что дает возможность выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.

С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология изучает общие закономерности организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.

Биосфера. Уровни организации материи

 

Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера является экосистемой высшего уровня и представляет часть твердой, водной и газовой оболочки Земли, в которой обитают живые организмы. По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу. Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни и занимают нижнюю часть атмосферы (12-15 км), всю водную среду планеты и ее недра до 3-5 км. Компоненты, составляющие биосферу, показаны на рис. 2.

Основными свойствами биосферы являются:

§ централизация (в центре – все живые организмы),

§ открытость (для получения энергии извне),

§ саморегуляция (способность восстановления исходного состояния),

§ разнообразие (сред, природных зон, видов живых организмов),

§ непрерывность протекания процессов (за счет кругооборота веществ).

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество, по Вернадскому, - это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют (продукты тектонической деятельности, метеориты).

Биогенное вещество создается и перерабатывается совокупностью живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, известняк, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. Оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами и представляет системы динамического равновесия тех и других. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты – это почва и все природные воды, свойства которых зависят от деятельности живого вещества.

Живое вещество – самая активная форма материи во Вселенной. Оно проводит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования. Все живое вещество нашей планеты составляет 1/11 млн. часть массы всей земной коры и 0,25 % всего вещества биосферы. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно 2420 млрд. т.

В качественном же отношении живое вещество представляет собой наиболее организованную часть материи Земли.

 

 

 

 

 

Рис. 2. Типы веществ, слагающих биосферу

В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Химический состав живого вещества представлен элементами, широко распространенными в природе (атмосфера, гидросфера, космос): водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера (H, C, O, N, P, S). Эти элементы являются главными химическими элементами живого вещества и их называют биофильными. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулярные постройки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми кислотами. Перечисленные части живого вещества находятся в организмах в тесном взаимодействии.

Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества – от крупных молекул до растений и животных различных организаций.

1. Молекулярный (генетический) – самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул – белков, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.

2. Клеточный уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяют на одноклеточные и многоклеточные.

3. Тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

4. Органный – уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

5. Организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.

6. Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7. Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. Биоценоз – организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства.

8. Биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

К биогеохимические функциям живого вещества можно отнести следующие:

· газовая функция заключается в поглощении растениями СО₂ и выделении кислорода, в восстановлении азота, сероводорода, т.е. в поддержании газового состава атмосферы;

· концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении живыми организмами углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, йода, железа и пр. элементов (отложения известняка, мела, нефти, угля…);

· окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении различных веществ в живых организмах. Например, восстановление СО₂ до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их до СО₂ при дыхании растений:

	фотосинтез		дыхание

восстановление

окисление

СО₂ углеводы СО₂

 

 

6СО₂ + 6Н₂О →^hυ С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Аэробное дыхание – процесс, обратный фотосинтезу. Синтезированное вещество вновь разлагается с высвобождением потенциальной энергии, аккумулированной в этом веществе. Акцептором электрона является кислород:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О + Q

Анаэробное дыхание – акцептором электрона служит, например, уксусная кислота:

С₆Н₁₂О₆ + СН₃СООН ® 4СО₂ + 4СН₄ + Q₂

Бескислородное дыхание служит основой жизнедеятельности многих бактерий, дрожжей, простейших. Брожение – анаэробное дыхание, при котором органическое вещество служит и акцептором и донором электронов:

С₆Н₁₂О₆ ® 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + Q

Образующийся спирт также содержит некоторое количество энергии, которое может быть использовано другими организмами. Разложение органических веществ – процесс, в результате которого организмы получают необходимые химические элементы и энергию при преобразовании пищи внутри клеток их тела. Если бы эти процессы прекратились, то все биогенные элементы оказались бы связанными в мертвых остатках, а продолжение жизни стало бы невозможным.

· круговорот веществ в природе, осуществляемый при участии организмов биосферы и заключающийся в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Эта функция определяет возможность длительного существования и развития жизни при ограниченном запасе элементов в природе. В круговорот вовлечено около 40 химических элементов.