Конспект лекций по "Экологии"

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

ТУЛЬСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра аэрологии,  охраны труда и окружающей среды 
 
 
 

  Л.Н. Савинова

доцент, кандидат химических наук 
 

Э К О Л О Г  И Я 
 

Конспект  лекций

  

количество  часов 34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тула, 2000 

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция  1.   Краткая история и предмет  экологии.

Лекция  2.   Экологическая система. Принципы и  концепции.

Лекция  3.   Энергия в экологических системах.

Лекция  4.   Энергия и продуктивность.

Лекция  5.   Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни.

Лекция  6.   Трофическая структура и  трофическая функция экосистемы.

Лекция  7.   Биосфера как глобальная экосистема.

Лекция  8.   Биогеохимические циклы

Лекция  9.   Круговороты основных биогенных элементов:

      глобальный  круговорот воды и углерода.

Лекция 10.   Круговороты основных биогенных  элементов:

     круговорот  кислорода.

Лекция 11.   Круговороты азота и серы .

Лекция 12.   Осадочный цикл .

Лекция 13.   Пути возвращения веществ в круговорот: коэффициент возврата.

Лекция 14.   Воздействие среды обитания на биоту.

Лекция 15.   Абиотические факторы среды обитания.

Лекция 16.   Биотические отношения  и роли видов в экосистеме.

Лекция 17.   Развитие и эволюция экосистемы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Лекция 1

     Краткая история и предмет экологии

      1. Краткая история экологии.

      2. Предмет экологии.

      3. Подразделения экологии.

      4. Иерархия уровней организации  жизни.

      5. Принцип эмерджентности.  

     Экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их неорганической природой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем.

     Экология  как наука сформировалась лишь в  середине прошлого столетия, после того, как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле, об особенностях их образа жизни. Возникло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые заслуживают специального и тщательного изучения.

     Термин  «экология» ввел известный немецкий зоолог Э. Геккель, который в своих трудах «Всеобщая морфология организмов» (1866) и «Естественная история миротворения» (1868) впервые попытался дать определение сущности новой науки. Слово «экология» происходит от греческого oikos, что означает «жилище», «местопребывание», «убежище». Э.Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования. Они частично органической, частично неорганической природы; но как те, так и другие имеют весьма большое значение для форм организмов, так как они принуждают приспосабливаться к себе». По Геккелю, экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов, она призвана исследовать «все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование».

     Как и большинство наук, экология имеет  длительную предысторию. Ее обособление  представляет собой естественный этап роста научных знаний о природе. Выделившись в системе других естественных наук, экология и сейчас продолжает развиваться, обогащая свое содержание и расширяя задачи. Современная экология является теоретической основой рационального природопользования, ей принадлежит ведущая роль в разработке стратегии взаимоотношений природы и человеческого общества.

     Накопление  сведений об образе жизни, зависимости  от внешних условий, характере распределения  животных и растений началось очень давно. Первые попытки обобщения этих сведений мы встречаем в трудах античных философов. Аристотель (384-322 до н. э.) описал свыше 500 видов известных ему животных и рассказал об их поведении, например о миграциях и зимней спячке рыб, перелетах птиц, строительной деятельности животных, паразитизме кукушки, способе самозащиты у каракатицы и т. д. Ученик Аристотеля, «отец ботаники» Теофраст Эрезийский (371-280 до н. э.) привел сведения о своеобразии растений в разных условиях, зависимости их формы и особенностей роста от почвы и климата. 

     В средние века интерес к изучению природы ослабевает, заменяясь господством богословия и схоластики. 

     Великие географические открытия в эпоху  Возрождения, колонизация новых  стран послужили толчком к  развитию систематики. Описание растений и животных, их внешнего и внутреннего строения, разнообразия форм - главное содержание биологической науки на ранних этапах ее развития. Первые систематики - А. Цезальпин (1519-1603), Д. Рей (1623-1705), Ж. Турнефор (1656-1708) и другие сообщали и о зависимости растений от условий произрастания или возделывания, о местах их обитания и т. п. Сведения о поведении, повадках, образе жизни животных, которыми сопровождалось описание их строения, называли «историей» жизни животных.

     В ХУII-ХУIII вв. экологические сведения составляли нередко значительную часть в работах, посвященных отдельным группам живых организмов, например в трудах А.Реомюра о насекомых (1734), Л. Трамбле о гидрах и мшанках (1744), или в описаниях путешествий, предпринимаемых натуралистами.

     Много путешествий по неизведанным краям  России было организовано в XVIII в. В трудах С.Л. Крашенинникова, И.И. Лепехина, П.С. Палласа и других русских географов, и натуралистов указывалось на взаимосвязанные изменения климата, растительности и животного мира в различных частях нашей обширной страны. П.С. Паллас в своем капитальном труде «Зоография» подробно описал образ жизни 151 вида млекопитающих и 425 видов птиц и такие биологические явления, как миграции, спячка, взаимоотношения родственных видов и т. п.

     Проблема  влияния внешних условий на строение животных была поставлена во второй половине XVIII в. в трудах французского естествоиспытателя Ж. Бюффона (1707-1788). Считая возможным «перерождение» видов, Бюффон полагал основными причинами превращения одного вида в другой влияние таких внешних факторов, как «температура климата, качество пищи и гнет одомашнивания».

     Жан Батист Ламарк (1744-1829), автор первого эволюционного учения, считал, что влияние «внешних обстоятельств» - одна из самых важных причин приспособительных изменений организмов, эволюции животных и растений. Дальнейшему развитию экологического мышления способствовало появление в начале  XIX  столетия биогеографии. Труды Александра Гумбольдта (1807) определили новое экологическое направление в географии растений. А. Гумбольдт ввел в науку представление о том, что «физиономия» ландшафта определяется внешним обликом растительности. В сходных зональных и вертикально-поясных географических условиях у растений разных таксономических групп вырабатываются сходные «физиономические» формы, т. е. одинаковый внешний облик; по распределению и соотношению этих форм можно судить о специфике физико-географической среды. Появились первые специальные работы, посвященные влиянию климатических факторов на распространение и биологию животных, например книга немецкого зоолога К. Глогера об изменениях птиц под влиянием климата (1833) и датчанина Т. Фабера об особенностях биологии северных птиц (1826), К. Бергмана о географических закономерностях в изменении размеров теплокровных животных (1848). А. Декандоль в «Географии растений» (1855) подробно описан влияние отдельных факторов среды (температуры, влажности, света, типа почвы, экспозиции склона) на растения и обратил внимание на повышенную экологическую пластичность растений но сравнению с животными.

     Профессор Московского университета К.Ф. Рулье (1814- 1858) широко пропагандировал необходимость развития особого направления в зоологии, посвященного всестороннему изучению и объяснению жизни животных, их сложных взаимоотношений с окружающим миром. К.Ф. Рулье подчеркивал, что в зоологии наряду с классификацией отдельных органов нужно производить «разбор явлений образа жизни». При этом следует различать явления жизни особи (выбор и запасание пищи, выбор и постройка жилища и т. п.) и «явления жизни общей» (взаимоотношения родителей и потомства, законы количественного размножения животных, отношение к животным того же вида и других видов, «жизнь в одиночестве», «жизнь в товариществе», «жизнь в обществе», отношения животных к растениям, почве, к физическим условиям среды). Наряду с этим следует специально изучать периодические явления в жизни животных - линьку, спячку, сезонные перемещения и т. д.

     Таким образом, К.Ф. Рулье разработал широкую систему экологического исследования животных, «зообиологии», в его понимании, и оставил ряд трудов типично экологического содержания, например типизацию общих особенностей водных, наземных и роющих позвоночных и т. д.

     Взгляды К.Ф. Рулье глубоко повлияли на направление и характер работ его учеников, одним из которых был Н. А. Северцов (1827-1885). Его труд «Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии» (1855) был первым в России глубоким экологическим исследованием животного мира отдельного региона.

     В 1859 г. появилась книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Ч. Дарвин показал, что «борьба за существование» в природе, под которой он понимал все формы противоречивых связок вида со средой, приводит к естественному отбору, т. е. является движущим фактором эволюции. Стало ясно, что взаимоотношения живых существ и связи их с неорганическими компонентами среды («борьба за существование») - большая самостоятельная область исследований.

     Термин  «экология» прижился не сразу и получил  всеобщее признание лишь к концу XIX в. Во второй половине XIX столетия содержанием экологии было в основном изучение образа жизни животных и растений и их адаптации к климатическим условиям: температуре и световому режиму, влажности и т. д. В этой области был сделан ряд важных обобщений. Продолжая «физиономическое» направление А. Гумбольдта, датский ботаник Е. Варминг в книге «Ойкологическая география растений» (1895) обосновал понятие о жизненной форме растения. А.Н. Бекетов (1825-1902) выявил связь особенностей анатомического и морфологического строения растений с их географическим распространением и указал на значение физиологических исследований в экологии. А. Ф. Миддендорф, изучая общие черты строения и жизни арктических животных, положил начало применению учения Гумбольдта к зоологическим объектам. Д. Аллен (1877) нашел ряд общих закономерностей в изменении пропорций тела и его выступающих частей и в окраске североамериканских млекопитающих и птиц в связи с географическими изменениями климата.

     Параллельно с этими исследованиями в конце 70-х годов в экологии возникло новое направление. В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мебиус на основе изучения устричных банок Северного моря обосновал представление о биоценозе как о глубоко закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды. По Мебиусу, биоценозы, или природные сообщества, обусловлены длительной историей приспособления видов друг к другу и к сходной экологической обстановке. Изучение сообществ вскоре обогатилось методами учета количественных соотношений организмов. Учение о растительных сообществах обособилось в отдельную область ботанической экологии. Большую роль в этом сыграли труды русских ученых С.И. Коржинского и И.К. Пачоского, назвавшего новую науку «фитосоциологией». Позднее она была переименована в «фитоценологию», а затем названа геоботаникой. Основные положения этой науки были разработаны в трудах Г.Ф. Морозова и В.Н. Сукачева на основе учения о лесе.

     В начале XX столетия оформились экологические  школы гидробиологов, фитоценологов, ботаников и зоологов, в каждой из которых развивались определенные стороны экологической науки. На III ботаническом конгрессе в Брюсселе в 1910 г. экология растений официально разделилась на экологию особей (аутэкологию) и экологию сообществ (синэкологию). Это деление распространилось также на экологию животных, равно как и на общую экологию. Появились первые экологические сводки - руководства к изучению экологии животных Ч. Адамса (1913), книги В. Шелфорда о сообществах наземных животных (1913), С.А. Зернова по гидробиологии (1913). В 1913-1920 гг. были организованы экологические научные общества, основаны журналы, экологию начали преподавать в университетах.

     К 30-м годам, после разносторонних исследований и дискуссий, выкристаллизовались основные теоретические представления в области биоценологии: о границах и структуре биоценозов, степени устойчивости, возможности саморегуляции этих систем. Углублялись исследования типов взаимосвязей организмов, лежащих в основе существования биоценозов. Разрабатывалась соответствующая терминология.

     Для развития идей общей биоценологии большое значение имели в нашей стране фитоценологические исследования В.Н. Сукачева, Б.А. Келлера, В.В. Алехина, Л.Г. Раменского, А.Л. Шенникова, за рубежом - Ф. Клементса в Америке, К. Раункиера в Дании, Г. Дю Рие в Швеции, И. Браун - Бланке в Швейцарии. Были созданы разнообразные системы классификации растительности на основе морфологических (физиономических), эколого-морфологических, динамических и других особенностей сообществ, разработаны представления об экологических индикаторах, изучены структура, продуктивность, динамические связи фитоценозов.