Лекція 2. Основні поняття системного підходу в екології (основні визначення і поняття)
Угруповання, популяція, організм, орган, клітина і ген - основні рівні організації життя.
Під системою мають на увазі «впорядковано взаємодіючі і взаємозалежні компоненти, що утворюють єдине ціле».
Системи, що містять живі компоненти (біологічні системи або біосистеми), можна виділяти або вивчати на будь-якому з рівнів, або на будь-якому проміжному рівні, зручному або корисному для дослідження.
Біом - зручний і широко використовуваний термін, що позначає велику регіональну або субконтинентальну біосистему, що характеризується якимось основним типом рослинності або інший характерною особливістю ландшафту, наприклад біом листяних лісів помірного поясу.
Система є якісно новим, своєрідним утвором у порівнянні з її елементами. В цьому знаходить свій прояв принцип емерджентності.
Емерджентність – наявність у якої-небудь системи особливих властивостей, не притаманних її підсистемам і блокам. Неможливість зведення властивостей системи до суми властивостей її компонентів. Синонім "системний ефект".
Якісно нові, емерджентні, властивості екологічного рівня або екологічної одиниці не можна передбачити, виходячи з властивостей компонентів, що становлять цей рівень або одиницю.
Емерджентні властивості саме й обумовлені взаємодією компонентів при формуванні системи певного рівня організації.
На рівні популяції емерджентними будуть: її структура (статева, генетична, розмірно-вікова тощо), тип розподілу організмів у просторі, народжуваність, смертність, біотичний потенціал, тип динаміки тощо.
На рівні угруповання – типи міжпопуляційних взаємин, трофічні ланцюги й мережі, видове розмаїття тощо.
На екосистемному – характер біогеохімічних колообігів, трансформація енергії, енергетичний баланс екосистеми, екологічні сукцесії, флуктуації й трансформації тощо.
На думку Б. Петтена (Patten, 1978), ідеальне вивчення будь-якого рівня системи включає вивчення тричленної ієрархії: системи, підсистеми (сусідній нижній рівень) і надсистеми (наступний верхній рівень).
Закон необхідної різноманітності - жодна система не може сформуватися з абсолютно ідентичних елементів.
Правило конструктивної емерджентності: надійна система може бути складена з ненадійних елементів або з підсистем, не здатних до індивідуального існування.
Закон (принцип) збільшення ступеня ідеальності (Г. В. Лейбніца), «ефект чеширського кота» (Люіса Керрола): гармонічність відношень між частинами системи історико-еволюційно зростає (система може зберігати функції при мінімізації розмірів - кіт, зникаючи з хвоста, вже зник, а його посмішка ще видна).
Щодо вивчення процесів і явищ в екології, то, як і в кожній науці, можна виокремити два основні підходи: холістичний і мерологічний.
Мерологічний (редукційний) підхід (від грецького meros – частина, міра) для того, щоб пізнати складний об’єкт, його необхідно «розібрати» на складові і дослідити їхні особливості.
Холістичний підхід (від грецького holos– цілий, цілісний) відомий також як принцип «чорної скриньки». Остання назва пояснює суть підходу: вивчається реакція-відповідь об’єкта (системи) на якийсь вплив (тобто функція відгуку) без з’ясування внутрішньосистемних механізмів формування цієї реакції.
17.Факторіальна екологія – розділ екології, який досліджує вплив чинників зовнішнього середовища на біосистеми.
18.Зовнішнє середовище (середовище існування) - це та частина природи, яка оточує живий організм і з якою він безпосередньо взаємодіє.
Екочинники - окремі властивості або елементи зовнішнього середовища, що впливають на дану систему, називаються екочинниками.
Екочинниками є:
для організму– будь-який чинник зовнішнього середовища (ЗС), що безпосередньо на нього впливає;
для популяції– будь-який елемент ЗС, що впливає хоча б на одну особину даної популяції;
для біоценозу– будь-який елемент ЗС, що впливає бодай на одну популяцію угруповання;
для екосистеми– ті елементи ЗС, які впливають на будь-які її компоненти.
Серед екочинників виділяють ресурси та умови.
19.Ресурси навколишнього середовища біосистеми використовують, споживають, тим самим зменшуючи їх кількість. До ресурсів відносять їжу, воду при її дефіциті, зручні місця для розмноження і т. п.
Умови - це такі фактори, до яких біосистеми змушені пристосовуватися, але
20.Адаптація - будь-які зміни в структурі та функціях систем (біологічна, екологічна тощо), що підвищують їх шанси на виживання.
Адаптація має наступні особливості:
1. Пристосованість до одного фактора середовища, наприклад, підвищеної вологості, не дає організму аналогічної пристосованості до інших умов середовища (температурі тощо). Це закон відносної незалежності адаптації.
2. Кожний вид організмів по-своєму адаптований у вічно мінливому середовищі. Це виражається правилом екологічної індивідуальності: кожний вид є специфічним за екологічними можливостями адаптації; двох ідентичних видів не існує.
3. Вид організмів може існувати до тих пір поки оточуюче його середовище відповідає можливостям пристосування до його коливань і змін.
Загальна стратегія будь-якої системи – підвищення якості середовища її існування.
Кожна біосистема може підвищити якість середовища свого існування трьома шляхами:
1 – кондиціонуванням середовища (зокрема, широко відома гіпотеза Геї (Lovelock, 1979);
2 – шляхом власних змін (система змінює свої морфологічні, фізіолого-біохімічні та інші особливості у напрямку підвищення адекватності власних особливостей середовищу свого існування);
3 – шляхом вибору найбільш оптимального середовища – міграції тощо.
Кількісною характеристикою ступеня адаптованості біосистеми в усіх випадках є ефективність її функціонування у певному середовищі, причому варто кількісно оцінювати енергетичну, речовинну й інформаційну адаптованість та спряженість речовинно-енергетичних та інформаційних процесів.
З енергетичних показників особливої уваги варті: структура енергетичного балансу, зокрема – мінімізація енерговитрат на базальний обмін, величина доступного системі потоку енергії, частка доступної в екосистемі енергії, яка реально використовується даною біосистемою тощо.
З речовинних критеріїв – кількість, збалансованість та адекватність раціону (гетеротрофи) та мінеральних речовин (для автотрофів), ефективність використання речовини тощо.
З інформаційних: адекватність сенсорних систем особливостям середовища, інформаційне забезпечення мінімізації речовинно-енергетичних витрат (раціоналізація ресурсокористування); інформаційні потоки, їх ефективність (для забезпечення функціювання біосистеми) тощо.
Основні механізми адаптації на рівні організму:
1) біохімічні - проявляються у внутрішньоклітинних процесах, як, наприклад, зміна роботи ферментів або зміна їх кількості;
2) фізіологічні - наприклад, посилення потовиділення при підвищенні температури у ряду видів;
3) морфо-анатомічні - особливості будови і форми тіла, пов'язані зі способом життя;
4) поведінкові - наприклад, пошук тваринами сприятливих місць для існування, будівництва нір, гнізд і т. п;
5) онтогенетичні - прискорення або уповільнення індивідуального розвитку, сприяють виживанню при зміні умов.
Екочинники впливають на живі організми по-різному:
як подразники, що викликають пристосувальні зміни фізіологічних і біохімічних функцій;
як модифікатори, що викликають морфологічні й анатомічні зміни організмів;
як обмежувачі, що обумовлюють неможливість існування в даних умовах;
як сигнали, що свідчать про зміни інших факторів середовища.
30.Абіотичні чинники
Абіотичні – чинники неживої природи.
До цих чинників відносять:
кліматичні - світло, тепло, повітря, вода (включаючи опади в різних формах і вологість повітря), вітер;
едафіческіе, або грунтові, - механічний і хімічний склад грунту, її водний і температурний режим;
топографічні - умови рельєфу.
Кліматичні та едафічні чинники багато в чому визначаються географічним положенням екотопів - його віддаленістю від екватора і від океану і висотою над рівнем моря.
Температура
В середньому активна життєдіяльність організмів вимагає досить вузького діапазону температур, обмеженого критичними порогами замерзання води і теплової денатурації білків, приблизно в межах від 0 до +50 °C.
Межі оптимальних температур відповідно повинні бути ще більш вузькими. Однак реально ці межі долаються в природі у багатьох видів за рахунок специфічних адоптацій.
Слід зазначити, що, як правило, верхні критичні значення чинника виявляються значно критичнішими, ніж нижні.
Існують екологічні групи організмів, оптимум яких зрушать убік низьких або високих температур.
32.Кріофіли - види, що віддають перевагу холоду і спеціалізовані до життя в цих умовах.
Понад 80% земної біосфери відноситься до постійно холодним областям з температурою нижче +5°C - це глибини Світового океану, арктичні та антарктичні пустелі, тундри, високогір'я.
Термофіли - це екологічна група видів, оптимум життєдіяльності яких приурочений до області високих температур.
Термофілами є представники бактерій, рослин і тварин, що зустрічаються в гарячих джерелах, в органічних залишках які розкладаються і т. п.
В одного з видів архебактерій, поширених на глибинах навколо термальних джерел, експериментально виявлена здатність до росту і поділу при температурах, що перевищують +110 ° C.
Досить важливим є значення температури для регуляції швидкості метаболічних процесів. Причому в діапазоні нормальної життєдіяльності при підвищенні температури на 10 градусів рівень обміну зростає вдвічі – втричі (прояв правила Вант-Гоффа).
Гідробіологи й іхтіологи для визначення інтенсивності дихання та інших метаболічних процесів часто користуються температурним коефіцієнтом Q10 = 2,3. Тобто з підвищенням температури на кожні 100С рівень метаболізму зазвичай зростає в 2,3 рази.
За особливостями терморегуляції всі організми можна поділити на гомойотермні та пойкілотермні.
Пойкілотермія (холоднокровність) — еволюційна адаптація виду при якому температура тіла живої істоти змінюється в широких межах залежно від температури зовнішнього середовища.
Гомойотермія (теплокровність) – це здатність живої істоти зберігати постійну температуру тіла, незалежно від температури навколишнього середовища.
До пойкілотермних тварин відносять птахів та ссавців.
Варто підкреслити, що життєдіяльність організмів у більшості випадків пригнічується за постійної температури.
Так, ще В. Шелфорд у 1929 р. помітив, що яйця, личинки і лялечки яблуневої плодожерки за умов коливання температури розвиваються швидше, ніж за постійної температури. Стимулюючий ефект змінних температур, в усякому разі, в помірній зоні, можна вважати чітко встановленим (Одум, 1986).
Це необхідно враховувати в експериментах, які, у переважній більшості, проводяться за сталих фіксованих значень температури.
33.Згідно правила Бергмана у тварин одного виду або групи близьких видів розміри тіла більші у холодних частинах ареалу та менші − у теплих (розмір тіла збільшується з географічною широтою).
Поясненням цього правилу є той факт, що у тварин загальна теплопродукція залежить від об'єму тіла, а швидкість тепловіддачі − від площі її поверхні. При збільшенні розмірів організмів об'єм тіла зростає швидше, ніж поверхня.
Згідно правила Аллена виступаючі частини тіла теплокровних тварин у холодному кліматі коротші, ніж у теплому, адже в першому випадку вони віддають у навколишнє середовище менше теплоти.
Прикладом спрацьовування правила Алена можуть бути представники родини псових (Canidae) з різних регіонів. Так, найменші (відносно довжини тіла) вуха та ніс у цій родині спостерігають у блакитного песця (Alopex lagopus), що мешкає в Арктиці, а найбільші — у лисиці фенека (Vulpes zerda), що мешкає в пустелях Північної Африки (в основному в Сахарі).
Правило Алена також виконується в людській популяції : найкоротші (відносно розмірів тіла) руки, ноги та ніс притаманні аборигенам Гренландії, а найдовші руки та ноги — народу Масаї, що розселений, в основному, в Кенії та північній Танзанії.
Частково правило Алена справедливе і для вищих рослин.
Згідно з правилом Глогера види тварин, що мешкають в холодних і вологих зонах, мають інтенсивніше пігментацію тіла (частіше чорну або темно-коричневу), ніж мешканці теплих і сухих областей. (вважають, що така особливість забарвлення дозволяє акумулювати тваринам достатньо велику кількість тепла.)
Встановлено, що правило Глогера поширюється на птахів, ссавців, а комах − на метеликів. Правило діяло у 80% досліджених видів ссавців та птахів. Однак метелики лише частково підкоряються цьому правилу, а деякі комахи зовсім не підпадають під нього.