Введение
Биоэкология (общая экология) – это экология в классическом понимании термина. Биоэкология представляет собой часть биологии, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов и т.п.) между собой и окружающей средой. Вместе с тем – это биологическая основа и фундамент всех прикладных экологических дисциплин и охраны окружающей среды. Имея свой собственный предмет изучения, экология тесно связана с такими науками, как зоология, ботаника, физиология, биотехнология, генетика, микробиология и др.
У экологии, в отличие от некоторых других наук, есть свой день рождения. Название « экология» ввел в науку немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 г. Каких только названий не предлагалось: «эпирриология», «биономия» и т.д. – но они не прижились. Название «экология» оказалось удачным, его Э. Геккель использовал в книге «Всеобщая морфология организмов. Общие основы науки об органических формах, механически основанной на теории эволюции, реформированной Чарльзом Дарвином».
Термин «экология» образован из двух греческих слов: oikos (дом, жилище) и logos (наука). 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».
Сегодня все изменилось. Наряду с генетикой и физиологией, экология занимает центральное место среди биологических наук и тесно связана с генетикой, физиологией, а также с микробиологией, биотехнологией, ботаникой, зоологией, анатомией и другими биологическими дисциплинами.
Почему экология стала так «популярна» в последнее время? Термин «экология» вошел в обиходную речь и стал употребляться с нарушением понимания его смысла. В современном обществе под влиянием средств массовой информации экология трактуется нередко как охрана окружающей среды, как прикладное знание о состоянии среды обитания человека, и даже – как само это состояние (отсюда такие нелепые выражения из рекламы и телевизионных передач «плохая экология», «регион или территория с плохой экологией», «нарушена экология»). Однако благодаря тому, что воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы и это воздействие ощущает каждый из нас, обусловлен повышенный интерес к экологическим дисциплинам. К сожалению, осознание экологических проблем еще не обеспечивает их решения и предупреждения. Для этого необходим высокий уровень экологической культуры у широких слоев населения. Основная задача курса биоэкологии –дать студентам знания об основных закономерностях и принципах, определяющих распространение организмов в природе, об экологии популяций, о структуре и динамике сообществ, об организации и функционировании экосистем.
Общая экология (биоэкология) является ведущей фундаментальной дисциплиной для студентов обучающихся по направлению «защита окружающей среды».
Глава 1. Факторы окружающей среды и адаптации к ним организмов
1.1.Организм и среда
Среда обитания – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. На организм оказывают воздействие различсные экологические факторы.
Многообразие экологических факторов еще в 1840 г. русский ученый Э.А. Эверсман в работе "Естественная история Оренбургской области" разделил на абиотические и биотические.
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).
Выделяют также антропогенные факторы (влияние человека на живые организмы и окружающую среду).
Большинство экологических факторов – температура, влажность, ветер, осадки, наличие укрытий, пищи, хищники, паразиты, конкуренты и т. д. – очень изменчиво в пространстве и времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания
1.2. Адаптация
Приспособление организмов к изменяющимся внешним условиям носит название адаптации. Под адаптациями понимаются любые изменения в структуре и функциях организмов, повышающие их шансы на выживание.
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.
Основные механизмы адаптации на уровне организма: биохимические, физиологические, морфо-анатомические, поведенческие, онтогенетические.
Экологические факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия; как ограничители; модификаторы; сигналы (свидетельствующие об изменениях других факторов среды).
1.3. Основные законы аутэкологии
Изучение влияние классических абиотических факторов является одной из важнейших задач современной общей экологии, при изучении влияния этих факторов учитывают общие закономерности воздействия условий окружающей среды на живые организмы.
Закон оптимума: любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного воздействия на организм. Например, организмы плохо переносят сильную жару и низкую температуру; оптимальными являются средние температуры.
Для каждого организма, популяции, экосистемы существует диапазон условий среды – диапазон устойчивости (рис. 1.1), в рамках которого происходит жизнедеятельность объектов.
Закон индивидуальности экологии видов: вид по каждому экологическому фактору распределен по-своему, кривые распространенности различных видов перекрываются, но их оптимумы различаются.
Закон лимитирующих факторов: экологические факторы, приближаясь к минимуму или к максимуму, необходимому для поддержания жизнедеятельности организмов, становятся лимитирующими, ограничивая возможность выживаемости организмов.
Лимитирующий (ограничивающий) фактор – это фактор, оказывающий наибольшее влияние на популяцию.
Чем больше отклонения фактора от оптимума, тем менее благоприятно это для организма.
Иногда кривые оптимума экологических факторов для разных видов не совпадают (например, для некоторых видов, устойчивых к низким температурам, оптимальной будет температура значительно ниже, чем для других). Очень часто оптимумы экологических факторов не совпадают в течение всей жизни организмов. Икра лососей развивается только в интервале температур от 0 до +12 °С, а взрослые особи переносят колебания от – 2 до +20 °С.
Экологические факторы действуют на организмы по разному. Лишь в простейших случаях имеет место прямое влияние. Однако очень часто экологические факторы влияют косвенно: сочетание высокой температуры с низкой влажностью и отсутствие дождей приводит к выгоранию растительности, миграции или вымиранию травоядных животных и т.д.
Сила экологических факторов постоянно меняется, мы живем в мире с переменными условиями, и практически нет мест на планете, где значения экологических факторов более или менее постоянны (пожалуй, только на дне океана или в глубине пещер).
При оптимальных значениях экологического фактора организмы активно растут, питаются, размножаются.
В основном возможность существования видов определяется экстремальными условиями. В природе даже при благоприятных условиях существования всегда оказывается в минимуме или максимуме какой-либо важный фактор.
Такие отклонения бывают эпизодическими, но влекут за собой самые пагубные последствия (многоснежные суровые зимы, наличие опасных паразитов, наводнения).
С законами оптимума и лимитирующих факторов сталкивается сельское хозяйство.
Закон взаимодействия экологических факторов гласит: оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо экологическому фактору окружающей среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы.
Один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает разное экологическое воздействие. Например, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду.
Следовательно, одно и то же экологическое воздействие может быть получено разными способами. Увядание растений можно приостановить за счет увеличения количества влаги в почве, а также в результате снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение. Таким образом, создается эффект частичного взаимозамещения экологических факторов.
Однако, взаимная компенсация действия экологических факторов окружающей среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Например, отсутствие воды при наличии всех остальных благоприятных факторов приводит к гибели растений, подобная закономерность наблюдается при отсутствии хотя бы одного из основных элементов минерального питания. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью.
В окружающей среде всегда какой-либо фактор оказывается в минимуме или максимуме, он характеризуется как лимитирующий фактор, который ограничивает размножение. В городе же организмы обычно чувствуют недостаток многих полезных веществ и переизбыток токсикантов, поступающих из-за выбросов автотранспорта, промышленных производств и т.д. Таким образом, в мегаполисах наблюдается комплексное воздействие неблагоприятных экологических факторов, например тяжелых металлов, засоления и т.д.
Закон взаимодействия экологических факторов для антропогенных факторов можно сформулировать следующим образом: при взаимодействии антропогенных химических факторов наблюдается либо усиление токсического действия в результате простого суммирования или улучшения поглощения токсикантов, либо ослабление за счет подавления поглощения одного или ряда вредных веществ другим, или перевода токсиканта в физиологически инертные формы. При очень высоких концентрациях вредных веществ, при комплексном взаимодействии часто происходит усиление токсичного воздействия на растения. К большому сожалению, понятие предельно допустимая концентрация (ПДК) часто не учитывает комплексное воздействие неблагоприятных факторов, поэтому необходимо разработать экологические нормативы, например для почвенных условий, различных групп организмов которые учитывали комплексное воздействие хотя бы нескольких факторов. В идеале, например, для почв, необходимо провести анализ токсикантов, содержащихся в почвах определенного города, поселка и, с учетом наличия основных токсикантов, ввести понятие ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) комплексного воздействия, отдельно для каждых групп живых организмов (травянистых цветковых растений, хвойных и др). ОДК комплексного воздействия в почвенных условиях в случае ослаблении токсического действия должна соответствовать ОДК или ПДК наиболее токсического вещества, в случае усиления токсического действия ОДК комплексного воздействия – это максимальная концентрация загрязняющих химических веществ в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени не вызывает негативных последствий для живых организмов и их потомков.