Лекции по "Экологии"

     По  определению, стабильность - это свойство любого тела, заставляющее его возвращаться к исходному состоянию после того, как это тело выведено из состояния равновесия. Это представляется достаточно ясным, но на практике люди разных профессий (например, инженеры, экологи или экономисты) могут вкладывать в термин «стабильность» разный смысл, особенно при попытках оценить меру стабильности и выразить ее количественно. Для целей экологии можно выделить два «типа» стабильности.

      Резистентная  устойчивость - это способность экосистемы сопротивляться пертурбациям (нарушениям), поддерживая неизменной свою структуру и функцию. Упругая устойчивость - это способность системы восстанавливаться после того, как ее структура и функция были нарушены. Эти два типа стабильности связывает обратная зависимость - системе трудно одновременно развить оба типа устойчивости.

    Понятие о биоценозе, биогеоценозе и экосистеме. Основные формы межвидовых связей в  экосистемах  (нейтрализм, комменсализм, протокооперация, мутуализм, хищничество, паразитизм). Межвидовая конкуренция  как один из основных механизмов поддержания видовой структуры сообщества. Принцип конкурентного исключения Г.Ф.Гаузе. Экологическая ниша: потенциальная и реализованная. Поток энергии и круговорот химических элементов в экосистеме. Первое и второе начало термодинамики. Правила 1% и 10% энергии Линдемана. Трофическая структура биоценоза (продуценты, консументы, редуценты). Пищевые цепи и трофические уровни, пищевые сети. Экологические пирамиды (численности,  биомассы, энергии). Продуктивность экосистем (первичная и вторичная).  Естественное развитие экосистем: первичная и вторичная сукцессия. Целостность и устойчивость экосистем, механизмы устойчивости экосистем. Критерии и основные показатели устойчивости природных экосистем. Средомодифицирующая роль экосистем и проблема восстановления нарушенных экосистем.  

Тема 4 Экология сообществ  – синэкология

     Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и  ген - основные уровни организации жизни; на рис. 1. они расположены в иерархическом  порядке - от крупных систем к малым (иерархия - это расположение ступенчатым рядом). На каждой ступени, или уровне, в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Под системой мы будем подразумевать упорядочено взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое.

Экология  изучает главным образом те системы, которые расположены в правой части биологического спектра, т. е. системы выше уровня организма. В  экологии значение термина популяция, первоначально обозначавшего группу людей, расширено и обозначает группы особей любого вида организмов. Точно так же сообщество (иногда называемое еще биотическим сообществом) в экологическом смысле включает все популяции, занимающие данный участок. Сообщество и неживая среда функционируют совместно, образуя экологическую систему, или экосистему. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз. Биом - удобный и широко используемый термин, обозначающий крупную региональную или субконтинентальную биосистему, характеризующуюся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта, например биом лиственных лесов умеренного пояса. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу в смысле «самообеспечения» биологическая система, которую мы знаем, - это биосфера, или экосфера, она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли как единое целое, чтобы поддерживать эту систему в состоянии устойчивого равновесия, получая поток энергии от Солнца.

     Важное  следствие иерархической организации  состоит в том, что по мере объединения  компонентов, или подмножеств, в  более «крупные функциональные единицы, у этих новых единиц возникают  новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такие качественно новые, эмерджентные, свойства экологического уровня или экологической единицы нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень или единицу. Иными словами, свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Хотя данные, полученные при изучении какого-либо уровня, помогают при изучении следующего, с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом следующем уровне; он должен быть изучен непосредственно.  

Тема 5. Биосфера и ее устойчивость

    Значение  учения о биосфере В.И.Вернадского  для экологии определяется тем, что  биосфера представляет собой высший уровень взаимодействия живого и  неживого и глобальную экосистему. Поэтому выводы ученого справедливы для всех экосистем и являются обобщением знаний о развитии нашей планеты.

    Первоначально понятие «биосфера» определялось как  совокупность всех живых организмов на Земле. В.И.Вернадский, изучавший  взаимодействие живых и неживых  систем, переосмыслил это понятие. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

    Под биосферой В.И.Вернадский понимал  тонкую оболочку Земли, в которой  все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы.

    В.И.Вернадский создал биогеохимию, изучающую распределение  химических элементов по поверхности  планеты. Ученый пришел  к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который  не присутствовал бы в живом веществе. Выводы В.И.Вернадского:

1. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой.
2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

     Свои  выводы В.И.Вернадский называл эмпирическими  обобщениями, в отличии от гипотез  и теорий. Некоторые выводы учений сформулировал в виде принципов  и законов, а некоторые представлены как эмпирические рассуждения. Основные из них:

1. Принцип целостности биосферы.
2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности.
3. Закон биогенной миграции атомов.
4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии.
5. Численность популяции колеблется около равновесного уровня.
6. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии.
7. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов интервалом в 433 С (от -252 до +180 С).
8. «Всюдность» жизни в биосфере.
9. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел.
10. Постоянство количества живого вещества в биосфере.
11. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю.
12. Идея автотрофности человека.

     Эволюцию  биосферы изучает раздел экологии, который называется эволюционной экологией. Следует отличать эволюционную экологию от экодинамики (динамической экологии). Последняя имеет дело с короткими интервалами развития биосферы и экосистем, в то время кА первая рассматривает развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Так, изучение биогеохимических круговоротов и сукцессии – задача экодикамики, а принципиальных изменений в механизмах круговорота веществ и в ходе сукцессии – задача эволюционной экологии. Одним из важнейших направлений в изучении эволюции является изучение развития форм жизни. Здесь можно выделить насколько этапов.

     Этап 1. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и  синезеленые водоросли.

     Этап 2. В клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими.

     Этап 3. Появляются многоклеточные организмы.

     Важные  свойства живых систем:

• Компактность
• Способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию этропии.
• Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
• Способность образовывать петли обратной связи, образующиеся при автокаталических реакциях.
• Многообразие и сложность форм жизни.
• В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакции сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакции просты, а молекулы сложны.
• Наличие прошлого.
• Наследственность и изменчивость.
• Способность к избыточному самовоспроизводству.

     Глобальный  характер взаимоотношений человека со средой обитания привел к появлению понятия ноосферы. В.И.Вернадский дал свою интерпретацию концепции ноосферы. Как живое вещество преображает косную материю, являющуюся основой его развития, так и человек неизбежно обладает влиянием на природу, породившую его.  Как живое вещество и косная материя, объединенные цепью прямых и обратных связей, образуют единую систему – биосферу, так и человечество и природная среда образуют единую систему – ноосферу.

    В.И.Вернадский развил концепцию ноосферы как растущего глобального осознания усиливающегося вторжения человека в естественные биогеохимические циклы, ведущего, в свою очередь, ко все более взвешенному и целенаправленному контролю человека над глобальной системой. 

    Концепция ноосферы сохраняет ценность, поскольку представляет единство человека и природы в виде процесса – ноогенеза, ведущего к становлению единой системы «человек – природная среда». В целом концепция ноосферы напоминает натурфилософские построения и сциентистские утопии. Становление ноосферы – возможность, но не необходимость. Ценность этой концепции заключается в том, что она предлагает конструктивную модель вероятного будущего, а ее ограниченность – в том, что она рассматривает человека прежде всего как разумное существо, тогда как индивиды и тем более общество в целом редко ведут себя по-настоящему разумно. Пока человечество движется отнюдь не к ноосфере, и последняя остается лишь одной из гипотез. 

    Тема 6. Концепция Устойчивого  развития

     Конференция ООН 1992 г. в Рио-де-Жанейро — второй после Конференции ООН 1972 г. в Стокгольме международный форум по окружающей среде и развитию. Явилась эпохальным событием в истории человечества. Собрала представителей 179 стран мира, 1 600 неправительственных организаций. В параллельном "Глобальном форуме" работали 9 000 организаций, 29 000 участников, 450 000 слушателей. Приняла Декларацию РИО, в которой провозглашены обязательства государств по основным 27 рекомендательным принципам достижения цивилизацией устойчивого развития (сохраняющего окружающую среду, выживание будущих поколений; предполагающему ограничение потребностей и жизнедеятельности; опирающемуся на науку и образование). К сожалению, все предложения Конференции по ограничениям получили лишь рекомендательный характер вследствие сопротивления руководителей "развитых" государств, прежде всего Дж. Буша (старшего).

     Споры вокруг возможностей и ограничения  роста привели к созданию концепции, которая претендует в настоящее время на то, чтобы стать основной во взаимоотношениях человека и природы – концепции устойчивого развития.  Устойчивое развитие определяется как такое экономическое развитие, которое не приводит к деградации природной среды.

    Концепции устойчивого развития предполагает, что определенные параметры должны сохранять постоянное значение, а именно:

- физические  константы;

- генофонд;

     - участки всех главных экосистем  в их первозданном виде (иначе  нельзя судить о произведенных  человеком изменениях);

     - здоровье населения.

    Таким образом, охрана природной среды, как  и здравоохранение, является составной  частью данной концепции. Цель охраны природы двояка: 1) обеспечение сохранности  таких качеств окружающей среды, которые не должны меняться; 2) обеспечение непрерывного урожая полезных растений, животных, а также необходимых человеку ресурсов путем сбалансирования цикла изъятия и возобновления. Что и сколько можно изымать из биосферы, а что нельзя, определяется с помощью моделирования.

    Изъятие максимального количества ресурсов приводит не толь к их ухудшению качества продукции. Вырубка лес, при которой достигается максимальный объем получаемой древесины, вызывает уменьшение величины деревьев и ухудшение качества древесины. Ориентация на «иметь» противостоит ориентации «быть», приводит к ухудшению качеств человека и природной среды.