Что изучает биосферная экология
Историческое развитие экологии, деление ее на разделы
Одной из самых важных проблем, стоящих перед мировым сообществом, является проблема защиты окружающей природной среды и устойчивого развития человеческой организации.
Одними из первых состоянием окружающей среды заинтересовались биологи. Поэтому традиционально под экологией понимают совокупность и характер связей меду организациями и окружающей природной средой, при этом понятие окружающая среда недостаточно определено, поскольку разные исследователи вкладывают в него разное содержание.
Под объектом экологии понимают экосистемы различного ранга вплоть до планетарного, т.е. и биосфера и человека.
В 1866 году немецким зоологом Эрнестом Геккелем более 100 лет назад в своей монографии дал понятие что такое экология: (ойкос – жилище, дом, логос – наука, изучение).
Экология – это наука о доме, наука о том как жить и хозяйничать в собственном доме.
В качестве самостоятельной науки, экология сформировалась лишь в ХХ веке. Труды многих выдающихся исследователей позволили составить совокупность знаний, идей, законов которые и являются фундаментом экологии.
Во II половине ХХ века экология как наука развивается особенно бурно, поскольку антропогенные изменения окружающей среды приобрели такие размеры, что человек прямо или косвенно стал их жертвой.
В 1972г. в июне в Стокгольме была проведена 1 международная конференция по окружающее среде. Которая обобщила материалы о загрязнении и вредном влиянии на здоровье населения. После конференции экология соединилась с охраной природы и начала приобретать теперешнее значение.
В самом общем виде окружающая среда определила как совокупность всех энергетических и информационных факторов косвенно или прямо взаимосвязанных с человеком.
Экология же является интегрированной наукой о регламентации отношений и взаимодействия человека с окружающей средой (природной или техногенной средой).
Т.о. экология представляет постоянно развивающейся наукой, которая призвана минимизировать экологический риск (вероятность экологического воздействия) при развитии цивилизации как для окружающего мира, так и для ее самой.
Основой всех современных экологий является биология или общая экология изучающая всю природу в целом, уровни организации жизни на земле и устойчивость живой природы.
Рисунок 1: Схема основных направлений экологии
Биосферная экология изучает глобальные изменения, которые происходят на нашей планете в результате воздействия хозяйственной деятельности человека на природные явления.
Лесная экология изучает способы использования ресурсов лесов (древесина, промысловые животные, ягоды и др.) при их постоянном восстановлении, а также роль, которую играют леса в поддержании водного режима ландшафтов.
Экология тундр изучает способы рационального природопользования в тундре и лесотундре — оленеводство и охота. Важным направлением в экологии тундр в последнее десятилетие стало изучение влияния на экосистемы добычи нефти и газа и разработка способов уменьшения вредного воздействия промышленности.
Экология морей изучает влияние хозяйственной деятельности человека на морские экосистемы: загрязнение при добыче нефти и газа на шельфе, при сбрасывании в воду промышленных и бытовых стоков и твердых отходов, в том числе с морских судов. Эта наука разрабатывает методы восстановления и поддержки морских экосистем.
Сельскохозяйственная экология изучает способы получения сельскохозяйственной продукции без истощения ресурсов почвы и лугов и при сохранении окружающей среды и производства экологически чистых (т.е. не загрязненных опасными для (здоровья человека веществами) продуктов.
Промышленная экология изучает влияние выбросов промышленных предприятий на окружающую среду и возможности снижения этого влияния за счет совершенствования технологий и очистных сооружений.
Городская экология изучает возможности улучшения среды обитания человека в городе.
Медицинская экология изучает болезни человека, связанные с загрязнением среды, и способы их предупреждения и лечения. Здоровье населения любой территории — лучший показатель состояния среды его обитания.
Некоторые науки экологического комплекса выделены не по объекту изучения, а по методам, с помощью которых этот объект изучается.
Математическая экология моделирует экологические процессы, т.е. отклонения в природе, которые произойдут при изменении экологических условий.
Химическая экология разрабатывает методы определения веществ-загрязнителей, попадающих в атмосферу, воду, почву и продукты питания, способы химической очистки газообразных, жидких и твердых отходов и новые технологии производства, при которых количество отходов уменьшается.
Экономическая экология разрабатывает экономические механизмы рационального природопользования — оценки стоимости ресурсов (вода, древесина, нефть и т.д.) и размеры штрафов за загрязнения.
Юридическая экология разрабатывает систему законов, направленных на защиту природы. Юристы-экологи выступают в качестве защитников Природы на судебных процессах, связанных с экологическими преступлениями или нарушениями законов рационального природопользования.
Курс лекций по Экологии 3
Предмет экологии – совокупность и структура связи между организмами и окружающей средой.
Объект экологии – экосистемы.
Общая экология – изучает закономерности взаимоотношений живых организмов разных уровней со средой и между собой.
Разделы общей экологии :
Прикладная экология – включает в себя аспекты инженерной, социальной, экономической среды обитания человека, экологических принципов охраны окружающей среды; изучает механизмы разрушения человеком биосферы, способы предотвращения этого процесса, разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.
Задачи общей экологии:
Задачи прикладной экологии:
Экологический фактор – любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живые организмы на одном (или нескольких) этапе развития организма.
Виды экологических факторов:
а) физические: фитогенные (растения)
— климатический зоогенные (животные)
— топографический микробиогенные (микроорганизмы)
— кислотность и щелочность среды
Типы взаимоотношения организмов:
++ мутуализм (птичка и носорог)
+- хищничество (заяц и волк)
+0 коменсализм (насекомые в норе медведя)
+0 протокооперация (рак-отшельник и актиния)
-0 аменсализм (человек задавил муравья)
00 нейтрализм (лоси и белки)
— конкуренция (сорняки и другие растения)
Закон минимума Либиха (1840): фактор, находящийся в минимуме будет ограничивать организацию всего живого.
Толерантность – способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.
Закон толерантности Шелфорда (1931): любой живой организм имеет определенные эволюционно-унаследованные пределы устойчивости (толерантности) к любому эколог. фактору.
Популяция – любая способная к воспроизводству группа особей одного вида более или менее изолированных в пространстве от особей другого вида.
Статистические свойства – состояние популяции в определенный момент времени:
возрастная структура – соотношение численности особей различного возраста. Для описания этой структуры выделяют:
3 экологич. возраста: предропредуктивный, репродуктивный, пострепродуктивный.
3 вида возрастных пирамид: быстрорастущая, сокращающаяся, стабильная.
половая структура – характеризуется соотношением численности особей разного пола.
пространственная структура – 3 типа распределения особей в пространстве:
случайное, равномерное (сильная конкуренция между особями), неравномерное / групповое (защита, размножене).
Динамические свойства – характеризуют процессы в популяции, которые протекают во времени.
скорость рождаемость смертность
численности иммиграция эмиграция
Для оценки уровня рождаемости и смертности популяции по возрастам существует несколько методов: таблицы выживаемости, кривые выживаемости, математические модели.
Виды таблиц выживаемости:
Кривая выживания – это график зависимости от времени числа выживших на данной момент особей для некоторой начальной группы новорожденных.
- Зависимость численности от времени, экспоненциальная:
, N – численность, R – врожденная скорость роста численности популяции.
Допущения : идеальная популяция, неограниченные ресурсы пространства и питания
, k – емкость среды (максимально возможная численность популяции).Колебания численности популяций :
1 – циклическая популяция
2 – стабильная популяция
3 – скачкообразный рост численности
Синэкология (экология сообществ – изучает взаимоотношения популяций, сообществ, экосистем со средой)
Биогенез (по Мебиусу) – организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства с более или менее однородными условиями.
биоценоз = фитоценоз (устойчивое растительное сообщество) + зооценоз (совокупность взаимосвязанных видов животных) + микробиоценоз (сообщество микроорганизмов)
Трофическая структура (характеризует пищевые связи внутри биоценоза):
Пищевая цепь – последовательность организмов, каждый из которых съедает или разлагает другой.
Трофический уровень – звено пищевой цепи.
Простейшая пищеварительная цепь состоит из трёх трофических уровней:
 |
– не могут производить органические вещества для существования своего тела и используют готовые органические вещества – все животные, птицы, пресмыкающиеся.
Виды пищевых цепей :
- Пастбищные : автотрофные организмы (растения) → травоядные животные → хищники (фитопланктон → зоопланктон → рыбы).
Пр.: нектар → тля → божья коровка → паук → насекомоядная птица → хищник.
Детритные (наиболее распространенны в лесах): детрит (разлагающееся органическое вещество) → детритофаг (организмы, питающиеся мертвыми органическими веществами вместе с содержащимися в них микроорганизмами – личинки насекомых, дождевые черви, многие бактерии) → хищник.
Пр.: листовой опад → черви → птица (дрозд) → змея/хищная птица (ястреб);
падаль → опарыши → лягушка → цапля → волк.
Для представления взаимоотношений различных видов в биоценозе используются экологические пирамиды :
1. Пирамида численности (может быть как прямой, так и обратной)
— консумент 1 порядка (гусеницы)
Количество подсчитывается на каждом трофическом уровне. паразиты
— зоопланктон
— фитопланктон
- Пирамида энергии (количество пищи, которое проходит через трофические уровни)
Нет обратной формы.
С помощью пирамид энергии можно сравнивать биоценоз между собой.
Существует закон пирамиды энергии.
В 1942г. Линдеман предложил правило 10% или закон пирамиды энергии : с одного трофического уровня экопирамиды переходит на другой более высокий ее уровень в среднем 10% энергии поступившей на предыдущий уровень экопирамиды.
Правило биотического усиления : вредное вещество при переходе с одного трофического уровня на другой накапливается в пищевой цепи примерно в той же пропорции, в которой снижается количество энергии.
Видовая структура биоценоза :
Доминантные виды – виды, преобладающие по численности, массе, развитию.
Среди доменантов выделяют эдификаторы – виды, которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени формируют среду обитания, предопределяя существование других организмов.
Пр.: ель – средообразующее растение.
Видовое разнообразие биоценоза складывается из компонентов :
Видовое разнообразие биоценоза также зависит от типов взаимоотношений между организмами :
Увеличение разнообразия ресурсов ведет к увеличению места обитания => происходит расширение экологической ниши от реализованной к функциональной.
Экологическая ниша – совокупность всех требований организма к условиям среды обитания и месту, где условия выполняются.
Виды экологических ниш :
В результате межвидовой конкуренции зона перекрытия между видами снижается и экологическая ниша становится уже => сокращаются размеры популяций конкурирующих видов.
Принцип конкурентного исключения или закон Гаузе : два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны.
Рассмотрим межвидовое взаимодействие хищников и их жертв.
Численность популяции хищников всегда на полпериода отстает.
При встрече организмов развивающихся в изоляции друг от друга, их популяции не способны существовать в равновесии. В результате численность привнесенной популяции стремительно увеличивается, нанося ущерб местному биоценозу, включая вымирание отдельных видов.
Хищничество влияет на структуру функций биоценоза, динамику и пространственное распределение популяций жертв.
Схема взаимодействия механизмов организации биоценоза (Дж.Коннел):
 |
Уровень при котором
Отсутствие конкуренции условия среды
очень суровые суровые благоприятные
Закон действия факторов (Тинела, 1926): состав сообщества биоценоза по видам и численности особи в них определяется тем фактором среды, который находится в своем минимуме для данного сообщества или биоценоза.
Пространственная структура биоценоза
Пространственная структура биоценоза определяется, прежде всего, сложением фитоценоза.
Распределение организмов внутри биотопа носит ярусный характер.
Ярусность – вертикальное расслоение биоценозов на равновысокие структурные части.
Пр. (ярусная структура широколиственного леса):
1 ярус (древесный) – самые высокие растения (дуб, клен, осина, липа), белки, соколы, сороки, воробьи, дрозды, зяблики, вороны, насекомые.
2 ярус (кустарниковый) – кустарники до 5м (лещина, малина, шиповник, крушина, боярышник, рябина), насекомые (мухи, комары, пчелы, осы), снегири, дятлы, дрозды, поползни, белки, медведи.
3 ярус (травянистый) – ромашки, овсяники, папоротники, подрост деревьев, насекомые (пчелы, осы, комары, жуки), синицы, млекопитающие (лоси, медведи, лисы, волки, зайцы, косули).
6 ярус (дернина – 5-7см (корни, земля)) – черви, мокрицы, клещи, жуки, кроты, корни.
Мозаичность (в лесу) может возникнуть в результате деятельности:
Экосистемная экология – изучает экосистемы и биогеоценозы.
Экосистема – совокупность биотических и абиотических объектов, ограниченных условными границами и находящихся в определенных отношениях таким образом, что эта совокупность сохраняется неопределенно долгое время.
Биогеоценоз – совокупность однородных природных элементов на определенном участке поверхности земли, контур которого устанавливается по границе растительного сообщества.
Различия между экосистемой и биогеоценозом :
Все компоненты взаимосвязаны
Продуктивность – скорость производства биомассы в единицу времени.
1. Валовая первичная продуктивность – общая скорость накопления органических веществ продуцентами, включая те, что были израсходованы на дыхание.
2. Чисто первичная продуктивность – скорость накопления органических веществ, за вычетом тех, что были израсходованы на дыхание за изучаемый период.
3. Чистая продуктивность – скорость общего накопления органических веществ, оставшаяся после потребления гетеротрофами за определенный период.
4. Вторичная продуктивность – скорость накопления энергии консументами.
Динамичность – свойство экосистем, которое отражает зависимость экосистемы от комплекса экологических факторов и адаптивную реакцию всей системы на эти факторы.
Сукцессия – последовательная смена одного биоценоза другим.
В сукцессии четко действует правило экологического дублирования : длительное существование биоценоза возможно лишь в том случае, если изменения среды, вызванные деятельностью одних живых организмов, благоприятны для других с противоположными требованиями.
Сукцессионная серия – последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга сукцессий сообществ
Этапы сукцессионного процесса :
Результатами сукцессионных изменений являются:
Законы и правила функционирования экосистем
Принцип ЛеШателье-Брауна : при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.
Химические превращения в природе и все биологические процессы подчиняются законам термодинамики :
Биосфера – все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь.
· Неисчерпаемые: вода, солнечная энергия, климатические ресурсы.
1. В них возникает потребность.
2. Появляются технические возможности для использования.
3. Его использование экономически выгодно.
Классификация природных ресурсов
· растительные, животные, минеральные, водные, земельные, климатические.
- По видам хозяйственного использования:
· ресурсы промышленного производства : энергетические, неэнергетические (негорючие ископаемые).
· ресурсы сельскохозяйственного производства : почвенно-земельные ресурсы, растительные и кормовые ресурсы, агроклиматические ресурсы.
· ресурсы непроизводственной сферы : ресурсы рекреационных хозяйств, ресурсы заповедных территорий, ресурсы диких животных, ресурсы дикорастущих растений.
Человек и биосфера
Пространственная структура : Проблемы урбанизации :
Возрастная структура : Факторы лимитирующие развитие человечества :
Загрязнение окружающей среды
Загрязнение – поступление в окружающую среду вещества или энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
— нормальные побочные продукты жизнедеятельности.
— отходы производства: постоянно-действующие, периодически-действующие.
- По характеру загрязнения:
· химическое / ингредиентное – изменение химического состава среды.
· физическое / параметрическое – отклонение от нормы физических параметров (радиоактивное загрязнение).
· биологическое – проникновение в среду всех видов организмов, появляющихся при участии человека и наносящих вред окружающей среде:
микробиологическое (бактерии), макробиологическое (животные и растения)
- По масштабам воздействия:
· региональное – перенос загрязняющих веществ на расстояние более 40км от техногенных и 10км от сельскохозяйственных источников загрязнения.
· глобальные – до 1000км от места возникновения.
Химическое загрязнение окружающей среды
Загрязнение атмосферного воздуха. Глобальные проблемы.
1. Загрязнение парниковыми газами :
· диоксид углерода – сжигание топлива, транспорт, дегумификация почв (разложение органических веществ почв).
· хлорфторуглероды (фреоны) – холодильные установки.
· повышение уровня мирового океана.
· изменение в течении Гольфстрим и похолодание.
· перераспределение осадков на земле, сокращение 15% летних осадков.
· нарушение циркуляции атмосферных потоков, приводящее к различным природным катаклизмам.
· массовая миграция населения в безопасные места.
· повышение уровня смертности (сердечнососудистые заболевания).
2. Разрушение озонового слоя. Катализаторы разложения озона:
· природные : хлорметан – продукт жизнедеятельности организмов в океане, OH-радикал – пары воды.
· антропогенные : оксиды азота – сжигание топлива, атомы хлора, фреоны (аэрозоли, кондиционеры).
1987г Монреальский протокол – договор о сокращении выбросов фреона в атмосферу.
для экосистем: деградация экосистем и генофонда флоры и фауны, снижение урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности мирового океана.
для человека : увеличение заболеваний раком кожи, подавление иммунной системы, увеличение числа инфекционных заболеваний, потеря зрения вследствие развития катаракты.
3. Кислотные осадки – серные кислоты, образующиеся при растворении в воде диоксидов серы и азота:
· диоксид серы – сжигание органического топлива, энергетика.
· диоксид азота – энергетика, транспорт.
· ионы аммония и кальция.
2. Окисление водоемов.
3. Деградация растительности.
4. Коррозия металлов.
5. Заболевания органов дыхания.
6. Гибель животных и растений.
Мероприятия по снижению глобального потепления
Мероприятия по предотвращению сокращения озонового слоя
Мероприятия по сокращению выпадения кислотных осадков
Мероприятия по предотвращению загрязнения воздуха
· Улавливание водорастворимых газов водными и воднощелочными газами.
· Методы до сжигания.
· Методы каталитического превращения примесей с образованием безвредных и ценных продуктов.
- Снижение вредного воздействия автотранспорта:
· Введение каталитических катализаторов.
· Переход на газообразные виды топлива.
· Увеличение пропускной способности магистралей.
· Строительство магистралей вокруг населенных пунктов.
· Введение стандартов на содержание вредных веществ.
· Улучшение качества дополнительного покрытия.
Источники загрязнения воздуха в помещениях
Снижение загрязнения воздуха в помещениях
Загрязнение природных вод
Последствия загрязнения водоемов
Причины загрязнения пресных вод
Меры по предотвращению загрязнения вод
Способы восполнение недостатков пресной воды
Самоочищение – способность водной среды снижать содержание загрязняющих веществ до уровня, не представляющего угрозу для функционирования экосистемы.
Методы промышленной очистки сточных вод
Последствия воздействия на литосферу
Порядок обращения с отходами производства и потребления
Отходы – материалы и предметы от которых желает избавиться их владелец.
· остатки исходного сырья при переработке сырья в продукт.
· материалы или продукция образовавшаяся в процессе производства и частично или полностью утратившая свои потребительские свойства (брак).
· продукты переработки сырья, получение кот не являлось целью технологич. процесса.
· промышленные отходы: вышедшее из строя оборудование
· бытовые отходы: содержимое мусорных ведер.
Классы опасности воздействия отходов на окружающую среду
В соответствии с законом РФ “об отходах производства и потребления” отходы можно размещать, использовать и обезвреживать.
Размещение отходов включает в себя их хранение и захоронение на полигонах, шлакоотвалах и свалках.
Последствия для окружающей среды в местах размещения твердо-бытовых отходов (ТБО) и местах производства:
Использование отходов – применение отходов для производства товаров, выполнение работ, оказание услуг, получения энергии.
Методы переработки отходов
Обезвреживание отходов – обработка отходов, в том числе сжигание и обеззараживание на специальных установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую среду.
- Сжигание в мусоросжигательных заводах.
· Продукты сжигания содержат вредные неорганические вещества в концентрированных количествах.
· В дымовых газах содержаться пыль и вредные вещества.
· При горении расходуется кислород, тем самым нарушая баланс газа.
- Пирокинез – разложение химических соединений при высоких температурах без доступа кислорода. Не расходуется кислород, и образуются твердые вещества и коксовый газ, которые можно еще использовать.
· Выделение газов с образованием диоксидов серы и азота.