Л1Термин «Экология» впервые был введён в 1869 году Геккелем. По определению Геккеля «Экология» - наука об экономии природы (наука о жилище – греч.).
Экология – наука об отношении организма или групп организмов к окружающей среде в соответствии с уровнями организации жизни.
Существует два вида экологии:
Аутэкология –изучает взаимодействие с окружающей средой отдельного организма.
Синэкология –изучает взаимодействие со средой групп организмов, составляющих определённое единство.
Структура экологии
Экология
Прикладная
Теоретическая
Космическая
Земная
Человека
Животных
Растений
Микроорганизмов
Клетки
Сообщества
Организма
Водоёмов
Воздушной среды
Суши
Тропиков
Полярной зоны
Умеренной зоны
Не
изменённых природных систем
Антропогенных
систем
Измененных
природных систем
Не
загрязненных систем
Загрязнённых
систем
Экология очень быстро развивается на стыке с другими науками. Так, существует химическая, географическая, математическая экологии и т.д.
Задачи экологии как науки:
Исследование закономерностей организации жизни, в т.ч. и в связи с антропогенным воздействием на отдельные экологические системы и всю биосферу в целом.
Создание научной основы рационального использования природных ресурсов.
Восстановление нарушенных природных систем.
Регулирование численности популяции живых организмов.
Сохранение эталонных участков биосферы.
Задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного предприятия
Оптимизация инженерных, технологических и проектно-конструкторных решений исходя из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека.
Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий, действующих, проектируемых и реконструируемых предприятий или технологических процессов д/окружающей среды.
Своевременное выявление и корректировка конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде и угрожающих здоровью человека.
Инженерная экология – это система инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества окружающей среды в условиях растущего промышленного производства.
Охрана окружающей природной среды – это комплекс государственных, международных, региональных, административно-хозяйственных, политических и общественных мероприятий, направленных на поддержание химических, физических и биологических параметров функционирования природных систем в пределах необходимых с точки зрения здоровья и благосостояния человека.
Основы общей экологии. Учение о биосфере и её эволюции.
Впервые понятие «биосферы» ввел в начале прошлого века В.И.Вернадский.
Согласно В.И.Вернадскому биосфера – это оболочка земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само живое вещество. На Земле органическая жизнь сосредоточена в гидросфере, литосфере и нижней части атмосферы. Нижняя граница атмосферы расположена на 2-3 км ниже поверхности материков и на 1-2 км ниже дна океана.
Верхней границей биосферы является озоновый слой Земли, расположенный на высоте 25-40 км. За несколько миллиардов лет своего существования биосфера прошла длинный путь эволюции и первым и
основным этапом было возникновение жизни из неживой материи. Этому предшествовало образование простейших органических веществ из углекислого газа, воды, водорода, метана и аммиака под воздействием высоких температур, солнечного излучения и повышенной вулканической деятельности. В результате образовывались молекулы простейших сахаров, азотистых оснований и аминокислот, т.е. веществ, из которых состоят нуклеиновые кислоты, белки, и вещества-носители энергии типа АДФ и АТФ.
Важным этапом эволюции являлось то, что органические вещества подвергались процессам распада и синтеза, причём продукты распада одних веществ являлись исходными материалами д/синтеза для других веществ. Так возник первичный круговорот органического вещества.
Концентрация органических веществ в толще воды была неравномерной. В связи с этим возникли полужидкие коллоидные сгущения, получившие название коацерваты. Характерной особенностью этих сгущений было наличие границы с окружающей средой. Коацерваты и рассматриваются в качестве первых предбиологических структур. Эти капли разрушались, образовывались вновь, делились. В конечном итоге получилось, что сохраняться могли лишь те капли, которые при делении не теряли в дочерних каплях свои признаки, химический состав и структуру, т.е. приобрели способность к самовоспроизводству.
Важной особенностью коацерватов было то, что они могли избирательно поглощать из окружающей среды необходимые им вещества и избавляться от ненужных веществ. Этот момент даёт начало обмену веществ, процессам переноса энергии и информации. Одновременно с повышением способности к избирательному поглощению некоторых веществ, возрастало различие между структурой коацерватной капли и окружающей среды. Согласно существующей сейчас теории так появились первые живые организмы.
Дальнейшее усложнение жизни связано с возникновением многоклеточных организмов. Наиболее развитой и признанной сейчас является колониальная гипотеза возникновения таких организмов.
Согласно этой гипотезе, многоклеточные организмы возникли следующим образом: клетка разделилась, но её дочерние составляющие не разошлись, а стали существовать вместе, причём сначала обе клетки были абсолютно одинаковыми, а потом постепенно стали возникать различия в химическом составе и структуре, а это, в свою очередь, привело к функциональной специализации. Одни клетки стали отвечать за движение, другие – за поглощение веществ и т.д. В течение многих миллионов лет многоклеточные организмы эволюционировали и в итоге возник человек, который сразу стал преобразовывать биосферу под себя, превращая ее в ноосферу.
Понятие об автотрофности человечества.
Автотрофными называются такие организмы, которые получают своё органическое вещество из неорганического, не используя уже готовое органическое вещество других организмов.
Гетеротрофными называются организмы, которые для построения своего органического вещества используют уже готовое органическое вещество других организмов.
Человек –это единственный организм, который создал производство и развил технологии. И развитие технологии может привести к тому, что продукты питания будут синтезироваться из неорганических веществ, т.е. человечество может перейти к автотрофному способу существования.
Жизнь как термодинамический процесс.
Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является непрерывный обмен веществом с окружающей средой.
Белковое тело – это организованная макромолекулярная совокупность ряда специфических веществ: нуклеиновых кислот, аминокислот, соединений азота и фосфора.
Рассмотрим простейшую физическую систему, состоящую из нагретого тела и окружающей среды.
Градиент – это вектор, направленный в сторону увеличения какого-либо параметра среды.
В связи с тем, что в рассматриваемой системе существует градиент температуры, то, согласно 2-му закону термодинамики, эта система будет стремиться к состоянию теплового равновесия, т.е. нагретое тело будет постепенно охлаждаться и в итоге его T выровняется с ТОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, все излишки энергии будут рассеяны в виде тепла, наступит термодинамическое равновесие и любые энергетические процессы станут невозможными. О системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, говорят, что она имеет максимальную энтропию, т.е. иначе 2ой закон термодинамики звучит так: любая система стремится к состоянию с максимальной энтропией. Энтропия характеризует меру неупорядоченности системы: чем больше энтропия, тем больше хаос в системе. Непрерывный поток солнечной энергии воспринимается молекулами автотрофного живого организма и преобразуется в энергию химических связей, т.е. живые организмы вносят в систему структуру, порядок. В связи с этим, в отличие от всех других систем, системы с живыми организмами, могут двигаться против градиента энтропии в сторону уменьшения энтропии. Говорят, что живые организмы вырабатывают отрицательную энтропию или негэнтропию. Необходимая для этого энергия берется от Солнца.
Л2Экологические факторы и их действия.
Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказать прямое или косвенное воздействие на живые организм хотя бы на одной из фаз его развития.
Экологические факторы:
Абиотические факторы (факторы неживой природы).
Биотические факторы (факторы живой природы).
Абиотические факторы делятся на 4 группы:
Климатические (освещённость, температура, влажность, и т.д.)
Почвенно-грунтовые (механический состав, плотность, влагопроницаемость, и т.д.)
Орографические (рельеф местности, высота над уровнем моря)
Химические (газовый состав воздуха, количество растворённых в воде солей, кислотность почвы и т.д.)
Биотические факторы:
Фитогенные (факторы растительного мира)
Зоогенные (животного мира)
Микробиогенные (влияние микроорганизмов)
Антропогенные (влияние человека)
Экологические факторы можно классифицировать по степени постоянства их воздействия на живые организмы (по периодичности).
По периодичности:
Первичные периодические факторы – это факторы, связанные с вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси. Это смена времён года, смена дня и ночи.
Вторичные периодические факторы – следствия первичных периодических факторов (Температура, количество растворённого в воде кислорода, количество растительной пищи и другие).
Непериодические факторы (практически все почвенно-грунтовые факторы, практически все антропогенные факторы и факторы, связанные со стихийными бедствиями.
Абиотические факторы наземной среды.
Климатические факторы.
Поступающая от Солнца лучистая энергия. 99% этой энергии составляет электромагнитное излучение с λ от 0,17 до 4 микрон. 48% видимая часть спектра, а 45% приходится на инфракрасную часть спектра.
Количество солнечной энергии, поступающей к Земле постоянно, однако, различные области земного шара получают различное количество энергии, что связано с наклоном земной оси. Так, на единицу площади поверхности Земли в умеренной зоне на приходится в 6 раз больше энергии, чем в полярной зоне.
Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью. Так, чистый снег отражает до 95% всей энергии, загрязнённый снег – до 50%, хвойные леса – до 15%, чернозём – до 5%.
Освещённость земной поверхности связано с вращением Земли вокруг своей оси, в связи с чем практически у всех организмов существуют суточные ритмы жизнедеятельности.
Влажность – это количество водяного пара, растворённого в атмосфере. Большая часть водяного пара содержится в нижних слоях атмосферы до 12км.
Количество водяного пара зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше водяного пара может содержать воздух. Разность между максимально возможной и текущей влажностью называется дефицитом влажности. Дефицит влажности – важный экологический параметр, характеризующий сразу два фактора – температуру и влажность. Чем больше дефицит влажности, тем суше и теплее.
Атмосферное давление. В атмосфере существует два типа зон, зависящих от давления:
Зоны пониженного атмосферного давления (циклоны), которые характеризуются неустойчивой погодой с большим количеством осадков.
Зоны повышенного атмосферного давления (антициклоны), которые характеризуются устойчивой погодой без осадков.
Движение воздуха. В этом случае, движущей силой являются перепады атмосферного давления: воздух движется из зоны с высоким давлением в зону с низким атмосферным давлением.
Почвенно-грунтовые факторы.
Почва – это трёхфазная среда, включающая в себя жидкие, твёрдые и газообразные компоненты.
По вертикали почва разделяется на отдельные слои или горизонты. Все горизонты представляют собой смесь органических и неорганических веществ. Рассмотрим неорганический состав почвы: 50% - (кремнезем) оксид кремния, 25% - глинозём или оксид алюминия, 10% - оксид железа, а также оксиды калия, фосфора, кальция и магния (каждый до 5%). Остальных веществ в почве существенно меньше. В числе органических веществ присутствует стандартный набор: белки, жиры, углеводы, а также воск, смолу и т.д.
Одно из наиболее важных свойств почвы – это её механический состав, т.е. распределение частиц почвы по размерам. Чем больше размер частиц, тем больше почва к песчаной. Чем меньше размер частиц, тем ближе почва к глинистой.
Плотность почвы.
Аэрация (насыщенность почвы воздухом).
Кислотность или показатель рН
Тепловые факторы: (теплоёмкость, теплопроводность и т.д.).
Водные факторы (влагоёмкость, влагопроницаемость и т.д.)
Абиотические факторы водной среды.
Водная среда – это особая среда обитания живых организмов, отличающаяся от воздушной прежде всего плотностью и вязкостью.
Плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха.
Вязкость в 55 раз больше вязкости воздуха.
Подвижность воды, т.е. постоянное перемещение водных масс в пространстве.
Температурная стратификация, изменение температуры с глубиной.
Периодические, годовые, сезонные суточные изменения температуры воды.
Прозрачность воды.
Солёность воды, т.е. содержание в воде растворённых карбонатов, хлоридов, сульфатов.
В пресной воде преобладают карбонаты, в солёной – хлориды и сульфаты. Средняя солёность Мирового океана 35г/литр. Большинство внутренних морей существенно менее солёные: Чёрное море – 19г/литр, Каспийское море – 15г/литр.
Количество растворённого кислорода.
Кислотность или показатель рН.
Биотические факторы.
Биотические факторы – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Биотические факторы можно разделить на прямые и косвенные.
Прямые – это непосредственное влияние одних организмов на другие.
Косвенные – это влияние через изменение комплекса абиотических факторов
Понятие о лимитирующем факторе.
Впервые это понятие начал разрабатывать немецкий учёный Либих в середине 19в, когда он исследовал проблему минерального питания растений. Он установил, что развитие растений зависит прежде всего от тех веществ, которых не достаёт, даже если они необходимы в микроколичествах.
На основе этой разработки Либиха и было дано определение лимитирующему фактору.
Лимитирующие факторы – это факторы, которые находятся как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма.
Понятие об экологической нише.
Любой живой организм адаптируем к вполне определённым параметрам окружающей среды. Изменение этих параметров может вызвать угнетение жизнедеятельности или гибель живого организма.
Экологическая ниша – это совокупность множества параметров среды, определяющих условие существования того или иного вида и его функциональные характеристики, такие как получение энергии и обмен информацией.
Таким образом, экологическая ниша определяет не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе, и его положение относительно абиотических факторов.
Моделью экологической ниши служит часть многомерного пространства экологических факторов.
Рассмотрим некий вид живых организмов, существование которых зависит от температуры, давления и влажности.
Т: T1≤T≤T2 (температура)
Р: P1≤P≤P2(давление)
V:V1≤V≤V2 (влажность)
В
этом случае моделью экологической ниши
является параллелепипед в трехмерном
(3D)
пространстве
Допустим, что один из параметров вышел за пределы экологической ниши: например р<p1, тогда возможны два варианта:
Вид приспособится к новым условиям существования и его экологическая ниша расширится.
Вид не сможет приспособиться и погибнет, а его экологическую нишу займёт другой вид.
Адаптация живых организмов к экологическим факторам.
Одни организмы могут существовать в широких интервалах изменения экологических факторов, другие – существенно в более узких.
Рассмотрим график зависимости активности организма от температуры для трех различных видов
Первый и третий вид существуют в узком интервале температур, причём первый при низких, а третий при высоких температурах. Второй вид может существовать в широких интервалах изменения температуры.
Для каждого вида существует оптимальная температура , когда его активность максимальна. Значения экологического фактора, близкие к предельным максимальным/минимальным для данного вида называют пессимумами. Для любого вида важна не только амплитуда колебаний экологического фактора, но и скорость изменений этой амплитуды.
Адаптацией называется эволюционно выработанная и наследственно закреплённая способность живых организмов, позволяющая им существовать в условиях динамически изменяющихся экологических факторов.
Существуют следующие формы адаптации:
Морфологическая адаптация – это изменение внешней формы организма для приспособления к окружающей среде. Примеры: ласты у морских животных, иголки у растений пустыни.
Физиологическая адаптация – это изменение внутреннего строения организма , например, животные пустыни могут получать воду за счёт биохимического окисления жиров(расчепления).
Поведенческая адаптация – это, например, сезонные кочёвки птиц или спячка у животных.
Принцип минимальной амплитуды: Живой организм при прочих равных условиях выбирает такое место обитания, в котором обеспечивается минимальная амплитуда колебаний одного или нескольких лимитирующих факторов.
Л3Популяция, её структура и динамика.
Популяция – это исторически сложившаяся естественная совокупность особей данного вида, связанных между собой определёнными взаимоотношениями и приспособлением к жизни в условиях определённого района.
Различают географические и экологические популяции.
Географическая популяция – это группа особей одного вида, населяющие территории с однородными условиями существования.
Экологическая популяция – это группа особей одного вида, находящихся в таких условиях, где любые две могут равновероятно скреститься друг с другом.
Экологическая популяция является подсистемой географической популяции.
Каждая популяция имеет определённую структуру: возрастную, пространственную и др.
Каждая популяция имеет определённую численность и амплитуду колебаний этой численности.
Численность популяции – это количество особей данного вида в популяции.
Плотность популяции – это численность популяции, отнесённая к единице площади или объёма.
Численность популяции никогда не бывает постоянной, и колеблется в том или ином пределе.
Рассмотрим несколько типов динамики популяции:
Экспоненциальный рост при отсутствии любых ограничивающих факторов. В реальности такой тип динамики существовать не может.
N
N0
t
2)
S-образная
логистическая кривая. Численность
популяции переходит с уровня N0
на N1.
N
N1
N0
t
3) Экспоненциальный рост, а затем экспоненциальное падение численности популяции.
N
N1
N0
t
Все типы динамики делятся на две группы:
Периодические – 3 тип (осцилляция)
Непериодические – 1 и 2 типы (флуктуация)
Экологическая система. Основные понятия и определения.
Совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом называется экологической системой
Биогеоценоз – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений, имеющая свою особую специфику взаимодействия слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом, энергией и информацией между собой и с окружающей средой.
Понятия экосистема и биогеоценоз близки друг к другу, но неравнозначны. С точки зрения теории множеств, понятие экосистемы шире, т.е. любой биогеоценоз является экосистемой, но не любая экосистема является биогеоценозом.
Схема биогеоценоза:
Экотоп
Почва
Климат
