Введение
Экология представляет собой в первую очередь биологическую науку, изучающую отношения организмов между собой и окружающей средой. Экология занимает одно из центральных мест среди биологических наук и тесно связана с другими биологическими дисциплинами.
В последнее время все большее значение приобретают прикладные направления экологии – городская экология, экология растений и экологические фитотехнологии. Современные фитотехнологии все чаще применяют в охране окружающей среды: очистка воздуха с помощью городского озеленения и комнатных цветов для жилых помещений, очистка почвы и многое другое. Однако, многие виды растений чувствительны к воздействию абиотических факторов и к высокой техногенной нагрузке, поэтому одной из важнейших экологических проблем является невысокая степень устойчивости растений к неблагоприятным экологическим факторам. Поэтому в данном учебнике рассматриваются не только фундаментальные основы экологии, но и оценено влияние абиотических факторов на растения и повышение устойчивости к ним.Для получения растений, устойчивых к загрязнениям окружающей среды, наряду с традиционными методами селекции перспективно использовать современные биотехнологические подходы, которые уже хорошо зарекомендовали себя при получении растений, толерантных к различным экологическим стрессовым факторам: засухе, засолению, низким и высоким температурам и др. С точки зрения охраны окружающей среды предпочтительнее использовать клеточную селекцию, поэтому этому биотехнологическому методу будет посвещена отдельная глава.
Материалы учебника будут полезны студентам, обучающимся по направлениям «Экология и природопользование», «Биология», «Биотехнология», «Техносферная безопасность».
ГЛАВА 1.
ГЛАВЫ ЭКОЛОГИИ
1.1. Аутэкология и синэкология
В экологических исследованиях выделить два крупных направления – аутэкология и синэкология.
Аутэкология изучает отношение между организмом или популяцией и условиями среды.
Синэкология занимается сообществом и средой.
Например, изучение отдельной ели в хвойном лесу (или вида, рода ели) является аутэкологическим исследованием, а изучение сообщества хвойного леса синэкологическим. Главный вопрос аутэкологии – изучение приспособлений (адаптаций) к различным условиям окружающей среды (Чернова, Былова, 1988; Маврищев, 2007; Федорук, 2010; Гладков, 2010)..
1.2. Экологические факторы
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 различные 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 изменчивы в пространстве и времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания
Приспособления организмов к среде носят 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) (Чернова, Былова, 1988; Маврищев, 2007; Федорук, 2010; Гладков, 2011).
1.3. Биоценоз
Термин «синэкология» (от греч. syn – вместе) был предложен К. Шрётером в 1902 г. Синэкология как самостоятельный раздел экологии была выделена в 1910 г. на Международном ботаническом конгрессе. Синэкология изучает сообщества и биоценозы, их структуру, межпопуляционные связи, пути формирования и развития, классификацию, взаимодействие с внешней средой. Важнейшее понятие в синэкологии биоценоз.
Популяции видов живых организмов, проживая совместно, вступают в сложные взаимоотношения между собой и формируют многовидовые сообщества биоценозы.
Термин «биоценоз» ввел в 1877 г. К. Мебиус, немецкий гидробиолог, автор книги «Устрицы и устричное хозяйство». Он изучал места обитания устриц в Северном море (устричные банки), которые занимали определенные местообитания в море (разная глубина, температура, соленость воды, наличие течений и др.), взаимосвязаны между собой и другими видами (рыбы, моллюски, ракообразные и др.) и зависят от условий среды. Устричную банку он рассматривал как биологическое сообщество, или биоценоз (от греч. bios жизнь, koinos общий). «Каждая устричная банка, писал в своем труде Мёбиус, является сообществом живых существ, собранием видов и скоплением особей, которые находят здесь все необходимое для их роста и существования, то есть соответствующий грунт, достаточно пищи, надлежащую соленость и благоприятную для их развития температуру».
Биоценоз представляет собой эволюционно сложную форму организации живых организмов биосферы, экологическую систему, состоящую из множества видов. Биоценоз динамическая единица с различными трофическими уровнями, через которую проходит поток энергии и совершается круговорот веществ.
Биоценоз можно определить как биологическую систему, представляющую собой совокупность взаимно связанных популяций различных видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих определенный биотоп. Биотоп – это относительно однородное жизненное пространство определенного биоценоза. Биотоп образуется в результате преобразования биоценозом экотопа и является обязательным условием существования биоценоза. Экотоп это совокупность элементов и свойств абиотической среды. Биотоп, это преобразованный экотоп, он сложнее его. Он может быть текущим, т. е. формируемым данным биоценозом в определенный момент времени, и общим, являющимся результатом деятельности существующего и предшествующего биоценозов. Согласно функциональной многокомпонентности биоценоза принято считать, что он состоит из сообществ растений (фитоценоза), животных (зооценоза), микроорганизмов (микробоценоза).
Однако более верно выделять четыре составляющие части биоценоза: фитоценоз (совокупность растений), зооценоз (совокупность животных), микоценоз (совокупность грибов) и микробиоценоз (совокупность микроорганизмов). Сообщество, как и биоценоз, это совокупность взаимодействующих популяций, населяющих определённые места обитания, живой компонент экосистемы.
Строго говоря, сообщество и биоценоз – неоднозначные понятия. Биоценоз по своему основному определению населяет строго определенный биотоп, а потому более или менее четко отграничен в пространстве. Он обязательно состоит из продуцентов, консументов и редуцентов, если все они могут существовать в рамках биотопа (исключения очень редки или даже отсутствуют). Сообщество как система популяций видов, конкурирующих между собой и формирующих экологические ниши, не всегда состоит из всех биотических экологических компонентов. Можно выделить сообщества только растений, сообщество животных или микроорганизмов, но выделить биоценоз этих организмов нельзя. Однако, несмотря на всё перечисленное, некоторые экологи под термином сообщество понимают биоценоз. Выделение сообществ как структурных образований условно, так как они входят в ткань биоты всего земного шара. Однако в природе взаимодействуют не фитоценозы с зооценозами или зооценоы с микроценозами, а отдельные организмы популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов. В биоценозе множество микросообществ, и каждое из них имеет свое место.
Биота (от греч. bios – жизнь) исторически сложившаяся совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов на определенной территории. Понятие в отличие от биоценоза не предполагает обязательных взаимосвязей между видами, чем существенно отличается от биоценоза. Термин введен в 1907 г. румынским биологом Э. Раковицэ.
Обычно изучают одну или несколько групп живых организмов, а в отношении биоценоза основное внимание уделяется фитоценозу при изучении наземных экосистем. Фитоценоз имеет первостепенное значение в биоценозе, определяет его первичную продукцию, структуру, играет ведущую роль в формировании биотопа. Растения энергетический источник для всех организмов. Растительность влияет на климат, вернее, на микроклимат (под пологом леса возникает особый микроклимат, так называемый фитоклимат).
Фитоценоз (от греч. phyton – растение, koinos – совместно, сообща, вместе) рассматривается как функциональный компонент биоценоза и как самостоятельная устойчивая совокупность автотрофных организмов на относительно однородном участке земной поверхности, сформировавшаяся в результате длительного фитоценогенеза. Этот термин введел И.К. Пачоский в 1915 г. Учение о фитоценозе сложилось в самостоятельное научное направление – фитоценологию.
В учении о фитоценозе наиболее сложным остается вопрос о том, всякое ли сочетание растений можно считать фитоценозом. Согласно утверждением представителей московской фитоценологической школы (В.В. Алехин, И.К. Пачоский, Г.А. Высоцкий) фитоценоз – это не всякое собрание видов, а сочетание вполне закономерное, сложившееся в результате длительного исторического процесса и находящееся в связи с внешними условиями существования. Главным критерием фитоценоза считали «способность к восстановлению» или «способность к относительному восстановлению». А.П. Шенников определил фитоценоз как конкретную группировку растений на всем протяжении занимаемого ею пространства относительно однородную по внешности, флористическому составу, строению, по условиям существования и характеризующуюся относительно одинаковой системой взаимоотношений между растениями и средой.