Основы экологии
план-конспект занятия по биологии (11 класс)

Основы экологии

Экология – это общебиологическая наука, изучающая взаимоотношения организмов и их сообществ с окружающей их средой обитания, в том числе многообразие взаимосвязей их с другими организмами и сообществами. Термин экология был предложен немецким биологом Э. Геккелем в 1866 году. Экология исследует закономерности взаимоотношений различных групп организмов (популяций, видов и др.) с факторами внешней среды и их влияние на среду обитания, изучает взаимоотношения популяций разных видов в сообществе, разрабатывает основы рационального использования природных ресурсов человеком, прогнозирует изменение среды под влиянием антропогенных факторов, разрабатывает и внедряет биологические методы борьбы с сорняками и вредителями, разрабатывает и рекомендует промышленности безотходные технологии производства и т.д. В зависимости от конкретной области исследования экологию подразделяют на глобальную экологию, экологию популяций, экологию сообществ, экологию человека, медицинскую экологию, экологию городов, экологию гор, морей, пустынь, лесов, степей и т.д. Для сбора и анализа данных в экологии широко используются полевые и экспериментальные методы, а также метод математического моделирования, который дает возможность прогнозировать развитие экосистем в зависимости от изменений климата и антропогенных воздействий. С помощью ЭВМ и специально разработанных математических моделей на основе конкретных количественных измерений, проведенных в природе специалистами в разных областях науки (биологами, гидрологами, химиками, климатологами и т.д.), строятся прогнозы реакции определенной экосистемы под воздействием изменяющейся среды и деятельности человека на много десятилетий вперед.

Экологические факторы

С экологической точки зрения среда – это комплекс окружающих условий, прямо или опосредовано влияющих на жизнедеятельность организмов. В более узком смысле слова, среда обитания – это те элементы окружающей среды, с которыми данный организм вступает в прямые контакты. Любая среда обитания складывается из отдельных элементов – факторов, различных по своей природе и действию на организм. К неорганическим или абиотическим факторам относят температуру, свет, воду, воздух, ветер, кислотность, соленость и плотность среды, особенности рельефа, ионизирующие излучения. Биотические факторы создаются в результате совместного обитания и взаимного влияния животных и растений в определенных условиях. Для каждого из действующих на организм экологических факторов существует определенное значение, при котором данный организм находится в наиболее благоприятных условиях. Это значение называется зоной оптимума. Отклонение значения фактора от этой зоны в ту или другую сторону может привести к угнетению жизнедеятельности организма, так как может достигнуть его пределов выносливости. Обычно наибольшее влияние на организм оказывает тот фактор, значение которого далеко от оптимума и приближается в границе предела выносливости организма. Такой фактор называют ограничивающим фактором.

В энергетическом отношении жизнь на Земле обеспечивается постоянным притоком энергии от Солнца, часть которой утилизируется в процессе фотосинтеза для создания всего многообразия органических соединений, поэтому солнечная радиация (свет) является одним из важнейших экологических климатических факторов. Ультрафиолетовая часть солнечного света губительна для всего живого, поэтому для жизни на Земле огромное значение имеет озоновый слой атмосферы, поглощающий жесткие ультрафиолетовые лучи. Часть мягких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли, где под их воздействием у многих организмов активируется синтез биологически активных веществ (витаминов, пигментов). Видимая область спектра солнечного света наиболее важна для живых организмов. Именно видимые лучи в красной области спектра поглощаются хлорофиллами растений в процессе фотосинтеза, у животных световой фактор является важнейшим для ориентации в пространстве и во времени и участвует в регуляции многих физиологических процессов. Тепловые (инфракрасные) лучи повышают температуру среды, что особенно важно для холоднокровных организмов.

В зависимости от условий жизни в процессе эволюции сформировались светолюбивые, теневыносливые и теневые растения, для нормального развития которых необходимо разное количество света. Смена дня и ночи, а также сезонные изменения интенсивности светового потока привели к появлению у живых организмов (как растений, так и животных) биологических часов и фотопериодизма. На их основе сложились определенные сезонные ритмы жизнедеятельности, в соответствии с которыми происходит цветение и образование плодов у растений, миграция, период размножения и линька у птиц, размножение, смена волосяного покрова и впадение в спячку у животных и т.д.

Температура влияет на все процессы жизнедеятельности живых организмов, и прежде всего на скорость обмена веществ. Оптимум температуры лежит для большинства организмов в области от 15 до 30° С, однако некоторые виды бактерий и сине-зеленых водорослей живут в горячих источниках при температуре 80° С, а обитатели арктических вод (беспозвоночные, рыбы, водоросли) проходят весь свой жизненный цикл при температурах от 0 до -2° С. Организмы имеют специальные приспособления к значительным сезонным колебаниям температуры. При подготовке к зиме многие растения и животные переходят к состоянию глубокого покоя, в котором могут переносить очень низкие температуры (до -70° С в континентальных областях Сибири). Летом, наоборот, включаются механизмы, предохраняющие организмы от перегрева, главным образом, за счет испарения воды – транспирация у растений и потоотделение у животных. Все организмы разделяют на холоднокровные (пойкилотермные), температура тела которых зависит от температуры окружающей среды, и теплокровные (гомойотермные), которые способны поддерживать постоянную температуру тела. Поддержание высокой температуры тела у теплокровных (птицы и млекопитающие) осуществляется благодаря специальным механизмам: интенсивному обмену веществ, совершенным механизмам терморегуляции, хорошей тепловой изоляции за счет густого волосяного покрова, оперения, слоя подкожного жира и т.д.

Большое значение для жизни живых организмов имеет влажность, которая очень высока в тропических областях и низка в засушливых пустынных зонах. В пустынях, где количество влаги является ограничивающим фактором, у растений и животных возникли специальные приспособления, позволяющие выживать в суровых условиях окружающей среды. Многие растения пустынь лишены листьев или имеют на них плотный восковой налет, имеет очень длинные корни, проникающие в почву на большую глубину, некоторые растения успевают отцвести и дать семена за очень короткий весенний период. Животные пустынь способны получать всю необходимую им воду с пищей, многие из них используют для получения воды жировые запасы, некоторые впадают в летнюю спячку и т.д.

Воздействующие на организмы биотические факторы сложны и многообразны. Обычно различают внутривидовые и межвидовые взаимоотношения организмов. К внутривидовым взаимодействиям относят факторы, наиболее ярко проявляющиеся на уровне популяций: особенности поведения, продолжительность жизни, возрастной и половой состав, плотность населения, степень специализации и т.д. Наиболее сильным фактором среди внутривидовых взаимодействий является конкуренция за пищу, за полового партнера, за жизненное пространство и многие другие ресурсы. По мере роста численности популяции конкуренция увеличивается, при этом растет сопротивление среды и вступают в действие механизмы, регулирующие численность популяции (недостаток пищи, враги, паразиты и болезни и т.д.). В результате численность популяции поддерживается на определенном уровне.

Межвидовые взаимодействия могут быть безразличными, вредными и полезными для партнеров. При нейтрализме совместно обитающие виды не оказывают влияния друг на друга, если их экологические потребности не пересекаются. При межвидовой конкуренции популяции двух или нескольких видов используют одни и те же факторы среды, количество которых ограничено и недостаточно для всех (например, места для гнездования у птиц или один источник пищи). При такой борьбе одна популяция может вытеснить другую, или они обе будут находиться в угнетенных условиях. Распространенным типом межвидовых взаимоотношений является хищничество, при котором особи одних видов непосредственно поедают представителей других. Часто при таких взаимоотношениях наблюдаются периодические колебания численности хищника и его жертвы: за ростом численности жертвы следует рост численности хищника, приводящий к сокращению численности жертвы в результате ее поедания, затем из-за недостатка пищи численность хищника сокращается, что опять приводит к росту численности жертвы и т.д. Одной из форм хищничества является каннибализм – поедание особей своего вида у рыб, хищных насекомых при ограничении пищевых ресурсов и жизненного пространства. Паразитизм – форма межвидовых отношений, при которой организм паразита получает питательные вещества за счет организма-хозяина, принося ему вред и ослабляя его, но, как правило, не вызывая его гибели.

Мутуализмом называют взаимодействия, приносящие определенную пользу обоим партнерам. При симбиозе совместное сожительство необходимо обоим партнерам (симбиоз клубеньковых бактерий с корнями бобовых, микориза грибов с корнями растений, симбиоз гриба и водоросли в лишайнике и т.д.). При протокооперации выгода не очень значительна: совместное проживание некоторых птиц способствует защите, но не спасает от хищников.

Часто польза от взаимодействия бывает односторонней. При комменсализме один вид предоставляет пищу или убежище для другого, не получая непосредственной выгоды. Например в гнездах птиц и норах грызунов часто обитают различные сожители, находящие там убежище и пищу. Достаточно сложное влияние оказывают друг на друга растения, а также растения на животных и животные на растения. Весь комплекс сложных воздействий на организма абиотических и биотических факторов человеку необходимо учитывать в своей деятельности (в лесоводстве, луговодстве, рыбоводстве и других отраслях сельского хозяйства).

Популяция (экологическая характеристика)

Первые живые организмы появились в воде, и вода является самой первой средой жизни. Затем стала осваиваться суша, и появились наземные организмы. Стала осваиваться и воздушная среда, появились организмы, приспособленные к жизни в наземно-воздушной среде. Образование почвы привело к приспособлению к жизни в ней, сформировалась еще одна среда обитания для многих видов живых организмов. Совместная жизнь организмов привела к тому, что сами организмы стали средой обитания для многих видов других организмов, одних мы называем хозяевами, других – сожителями.

Каждый вид существует в форме популяций. Популяция может существовать при определенных значениях абиотических факторов, и приспособлена к совместной жизни с другими видами, то есть на нее действуют и биотические факторы среды, таким образом, она занимает к природном сообществе определенную экологическую нишу.

Экологическая ниша определяется всем комплексом факторов среды, необходимых для существования популяции, вида. Например, у лесных мышей в лесу — одна экологическая ниша, у синиц — другая, дождевые черви, живущие в почве леса, занимают третью экологическую нишу.

Структура популяций. Популяция любых организмов, существуя не только в пространстве, но и во времени, имеет определенную структуру: половой состав, возрастной состав, численность. Экологи, изучая природное сообщество, определяют территорию, которую занимает популяция, подсчитывают численность популяции — общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Изучается соотношение полов в популяции, соотношение молодых организмов, особей среднего возраста и старых. Все эти характеристики помогают оценить состояние популяции, прогнозировать ее будущее.

Для характеристики численности популяции удобно использовать такое понятие, как плотность популяции — число особей, которое приходится па единицу площади или объема. Для нормального существования ряски или хлореллы достаточно площади, равной их размерам, а слону требуется площадь, измеряемая десятками квадратных километров.

Численность популяции зависит от баланса рождаемости и смертности, которые, в свою очередь, зависят от абиотических и биотических факторов. При благоприятных климатических условиях и достаточном количестве пищи численность возрастает, при неблагоприятных — уменьшается. Смертность у организмов различна в разные периоды жизни, различают три основных типа смертности: смертность, одинаковая во всех возрастах (гидры), повышенная гибель на ранних стадиях развития (рыбы), повышенная гибель старых особей (крупные млекопитающие, человек). Если рождаемость превышает смертность — численность популяции растет, если наоборот — популяция становится сокращающейся. Численность популяции непостоянна, происходят колебания численности около какого-то среднего значения. Но возможно и резкое увеличение численности, например, численность мышевидных грызунов иногда увеличиваемся в 300-500 раз.

Однако популяция — система саморегулирующаяся, существуют верхние и нижние пределы плотности, за которые она выходить не может. Дальнейшее понижение численности грозит вымиранием, при повышении численности выше верхнего предела иссякнет кормовая база, увеличится смертность и произойдет резкое уменьшение численности. Факторы, регулирующие численность популяции, принято делить на две большие группы: не зависящие от плотности популяции и зависящие от плотности популяции.

Абиотические факторы не зависят от плотности популяции, а биотические – конкуренция, хищничество, паразитизм – обычно зависят от плотности. Кроме того, при повышенной плотности, при перенаселении, происходит уменьшение рождаемости, например, у большой синицы в случае плотности одной пары на гектар в выводке около 14 птенцов, а если плотность 18 пар на гектар — в выводке не бывает свыше 8 птенцов. У мышевидных грызунов при перенаселении, из-за стрессов, происходит гибель эмбрионов, что также приводит к уменьшению рождаемости.