Читаем Экология онлайн бесплатно

Экология – это наука о взаимоотношениях живых организмов друг с другом и с окружающей средой. Этот термин впервые был введен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1866 году в книге «Всеобщая морфология организмов»; он образован из двух греческих слов: oikos (дом, жилище) и logos (наука).

Экология – наука в первую очередь биологическая, но как самостоятельная биологическая дисциплина она выделилась только с начала 20 века.

Сегодня экология занимает одно из центральных мест среди биологических наук, дисциплина «экология» входит в учебные планы многих направлений бакалавриата и специальностей. Экологические исследования чрезвычайно популярны среди школьников и студентов, авторы сотрудничают с Всероссийским форумом «Шаг в будущее».

Авторы рекомендуют учебник студентам, обучающимся по направлениям бакалавриата (согласно ФГОС ВО направлениям бакалавриата) «Экология и природопользование», «Биотехнология», «Техносферная безопасность» (а также по другим укрупненным группам направлений 190000 «Промышленная экология и биотехнологии», 200000 «Техносферная безопасность и природообустройство») и для всех направлений бакалавриата и магистратуры изучающих курс «Экология». Учебник также может быть использован по курсу «Общая экология» для студентов обучающихся по направлениям бакалавриата 060000 «Биологические науки»и 05.03.06 «Экология и природопользование».

В учебнике кратко изложены основные сведения современной экологии: факториальная экология, экология популяций, биоценозов и экосистем, основы глобальной экологии. Поэтому учебник будет полезен в том числе и студентам вузов, изучающим курс "Основы экологии".

ГЛАВА 1.

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Не зря говорят как корабль назовешь, так он и поплывет! Каких только названий для экологии не предлагалось: «эпирриология», «биономия» и другие – но они не прижились! Термин «экология» безусловно оказался удачным, его Эрнст Геккель использовал в книге «Всеобщая морфология организмов. Общие основы науки об органических формах, механически основанной на теории эволюции, реформированной Чарльзом Дарвином».

Сам термин «экология» образован из двух греческих слов: oikos (дом, жилище) и logos (наука). Получается наука о доме, т. е. домоводство, конечно же, нет! Хотя, если каждый начнет относиться к нашей планете, как к дому, определенный смысл в этом есть.

“Под экологией, – писал Геккель, – мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и, прежде всего, – его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология – это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин называет условиями, порождающими борьбу за существование” (1870).В энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона (1904) термин «экология» объясняется следующим образом: «Экология, или ойкология, – часть зоологии, обнимающая собой сведения касательно жилищ животных, т. е. нор, гнезд, логовищ и т. п. До сих пор экология не достигла той степени развития, которая дала бы ей право на известную самостоятельность, так как до сих пор она еще не вышла из периода описаний и не выработала ни определенных методов, ни известной суммы обобщений. Экология ждет и экспериментальных исследований, и обобщения». Экологию ряд ученых также рассматривали и как часть ботаники. В 1910 г. на 3 Ботаническом конгрессе в Брюсселе экология растений разделилась на экологию особей и экологию сообществ. По предложению швейцарского ботаника Карла Шретера экология особей была названа аутэкологией (от греч. – сам и «экология»), а экология сообществ – синэкологией (от греческой приставки, обозначающей «вместе»).

Конечно же,сегодня экология достигла высокого уровня развития,как наука. Наряду с генетикой и физиологией, экология занимает центральное место среди биологических наук и тесно связана с генетикой, физиологией, микробиологией, биотехнологией, ботаникой, зоологией, анатомией и другими биологическими дисциплинами.

Экологию по размерам объектов изучения делят на аутэкологию (особи, организм и его среда), демэкологию, или популяционную экологию (популяция и ее среда), синэкологию (экология сообществ(биоценозов),экосистемную экологию(экология экосистем,биогеоценозов), глобальную экологию. В экологии можно выделить составные части, исходя из объектов изучения: экологию растений, экология животных, грибов и др… Однако если для ряда других биологических наук индивидуум является наикрупнейшей единицей, то для экологии он – мельчайшая единица исследований. А ряд экологов в качестве определения экологии используют следующую формулировку: экология – биологическая наука, которая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени, в естественных и изменённых человеком условиях. Но все-таки экологию нужно рассматривать шире,включая и организменный уровень. Например, влияние экологических факторов на живые организмы и адаптация к ним, также важный раздел экологии.

ГЛАВА 2.

ОСНОВЫ ФАКТОРИАЛЬНОЙ ЭКОЛОГИИ

Среда обитания – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы.

Многообразие экологических факторов еще в 1840 г. русский ученый Э.А. Эверсман в работе "Естественная история Оренбургской области" разделил на абиотические и биотические. Эдуард Александрович Эверсманн всю свою жизнь посвятил изучению природы Оренбургского края. Он приводил примеры борьбы и конкуренции между организмами, между особями одного и разных видов.

Абиотические факторы – это факторы неорганической природы, воздействующие на организм прямо или косвенно, через обмен веществ, которые имеют односторонний характер; организм может к ним приспособиться, но не может оказать на них обратное влияние)

Биотические факторы – это факторы взаимодействия организмов; организмы влияют друг на друга непосредственно (хищники съедают жертв) или косвенно (изменяют среду обитания).

Антропогенные факторы – это факторы влияния человека на живые организмы и окружающую среду.

К абиотическим факторам относят: свет, температуру, соленость воды, влажность, ветер, воздух, давление, скорость течения, долготу дня, состав почвы, газовый состав воздуха и др.

Абиотические факторы делят на климатические, эдафические и топографические (условия рельефа). Климатические и эдафические факторы зависят от географического положения биотопа. Приспособления организмов к окружающей среде называют адаптациями.

Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, так как она обеспечивает и саму возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации проявляются на разных уровнях организации, они возникают и развиваются в ходе эволюции видов.

2.1. Абиотические факторы

Свет

Свет экологический фактор, необходимый для жизни, источник энергии для фотосинтеза. Интенсивность света, длина волны, продолжительность освещения, а также угол падения солнечных лучей на земную поверхность (зависит от широты, сезона, времени дня и экспозиции склона) оказывают различное влияние на разные организмы. По отношению к свету выделяют три группы растений: светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты), теневыносливые (факультативные гелиофиты).

Гелиофиты – виды открытых мест в условиях полного солнечного освещения (сосна, газонные травы, клевер ползучий, подсолнечник и др.), в сухих местах обычно образуют разреженный и невысокий покров. Типичные светолюбивые растения – луговые, степные травы, многие культурные растения. При интенсивности до 13,5 %, свет оказывает стимулирующее действие на рост растений, при большей – действует угнетающе. Фотосинтез у светолюбивых растений подавляется при резком увеличении освещенности. Особая группа гелиофитов – С-4-растения. Такое название эти гелиофиты, получили потому, что фиксация СО₂ идет путем С4-дикарбоновых кислот, световое насыщение фотосинтеза не достигается даже при самой сильной освещенности. Это растения засушливых экосистем, культурные растения (сахарный тростник, кукуруза и др.). Особенно много С4-растений среди семейств мятликовых, осоковых, молочайных маревых, гвоздичных и др.

Сциофиты (теневыносливые) – не выносят сильного освещения, растут под пологом леса при сильном затенении (виды, обитающие в нижних ярусах ельников и др.). Для них характерны – нежные тонкие листья с тонкой кутикулой, обычно матовые, неопушенные, более светлого цвета, чем у растений открытых мест, побеги вытянутые.

Цветковые тенелюбивые растения встречаются обычно там, где освещенность в пасмурные дни достигает не менее 0,5–1 % (бегонии, недотрога, а также представители мареновых, коммелиновых).

Сциофиты широколиственных и темнохвойных лесов – зеленые мхи, кислица обыкновенная, грушанки, майник двулистный и др. Для тенелюбивых растений экологическим оптимумом является слабая освещенность.

Факультативные гелиофиты (теневыносливые) занимают промежуточное положение между двумя группами. Эти растения переносят небольшое затенение. Это ряд лесных растений (ель, клен, липа, некоторые лианы). На осветленных местах они разрастаются часто сильнее, однако оптимальное использование ФАР у них происходит не при полном солнечном освещении.

У деревьев и кустарников теневая или световая структура листа определяется условиями освещения предыдущего года, во время закладывания почек.

Большую роль в активности живых организмов и их развитии играет продолжительность освещения (фотопериод). Смену дня и ночи, изменение продолжительности светового периода суток организмы используют как сигналы для распределения своих функций во времени и создания самых благоприятных условий для своих жизненных циклов (например, ослабление конкуренции за жертву из-за разной активности хищников во времени).

Фотопериодизм – реакция живых организмов на сезонные изменения длины дня. Весной начинают расти и цвести растения, происходит размножение животных. Осенью листопадные деревья сбрасывают листья, некоторые животные впадают в спячку, многие птицы мигрируют. В широтах, где нет значительных сезонных изменений климата, виды не проявляют фотопериодических реакций (у тропических деревьев плодоношение и цветение растянуто во времени).

Свет для животных – необходимое условие видения, зрительной ориентации в пространстве. Образное видение возможно только при достаточно сложном устройстве глаза. Наиболее совершенные органы зрения, позволяют воспринимать форму и размеры предметов, их цвет, определять расстояние. Такие органы зрения – глаза позвоночных, головоногих моллюсков и насекомых.

Способность к объемному видению зависит от угла расположения глаз и от степени перекрывания их полей зрения. Объемное зрение, например, характерно для человека, приматов, ряда птиц. Понятие видимого света условно, например, для человека область видимых лучей – от фиолетовых до темно-красных, а гремучие змеи видят инфракрасную часть спектра. Животные ориентируются с помощью зрения во время дальних перелетов. Способность птиц к навигации доказана многими опытами. Среди насекомых эта способность особенно развита у пчел. Пчелы, нашедшие нектар, передают другим информацию о том, куда лететь за взятком, используя в качестве ориентира положение солнца. Пчела-разведчица, нашедшая нектар, возвращается в улей и начинает на сотах танец, она описывает фигуру в виде восьмерки, поперечная ось которой наклонена по отношению к вертикали. Угол наклона соответствует углу между направлениями на солнце и на источник корма.

Птицы с математической точностью выбирают направление полета, преодолевая иногда тысячи километров от гнездовий до мест зимовок. При таких дальних перелетах птицы хотя бы частично ориентируются по солнцу и звездам, т. е. астрономическим источникам света.

Температура

Температура – один из важнейших абиотических факторов.

Отрицательное воздействие высоких температур связано с инактивацией, а иногда даже денатурацией ферментов у организмов. Высокие температуры нарушают обмен веществ. У растений, например, дыхание осуществляется интенсивнее, чем фотосинтез, так как продукты обмена расходуются быстрее, чем образуются.

Влияние температуры зависит от относительной влажности воздуха: чем выше относительная влажность, тем ниже опасность обезвоживания.

Гибель от высоких температур зависит от продолжительности воздействия.

На определенных стадиях организмы обладают повышенной устойчивостью к высокой температуре (покоящиеся структуры, например, семена). Для многих видов оптимальной является температура 2030 ⁰С. Нижние температурные пороги иные: диапазон температур очень велик, большинство низших животных выдерживают падение температуры до 0 ⁰С. Насекомые переносят температуру до 45 ⁰С (некоторые лишь до 20 ⁰С). Некоторые тропические растения погибают при температуре немногим выше 0 ⁰С, из-за инактивации ферментов и нарушения некоторых метаболических процессов. Гибель при отрицательных температурах происходит из-за повреждающего действия, связанного с образованием кристаллов льда, прежде всего, внутри клеток.

Растения в Якутии, мхи и лишайники в Антарктиде переносят чрезвычайно низкие температуры. Многие организмы не погибают, потому что имеют физиологические механизмы, предотвращающие образование кристаллов льда внутри клетки.

Существуют два разных типа адаптации к температуре: пассивный и активный.