Экология как наука

Тема 1. Основы общей и ветеринарной экологии

Экология как наука

2. Факториальная экология (аутэкология)

Биосферная экология

Экология как наука

Термин «экология» был предложен в 1866 г. немецким зоологом Э.Геккелем (труд «Всеобщая морфология организмов»). В буквальном смысле он обозначает науку о доме, местообитании (от греч. oikos – дом, жилище, местообитание).

Кратко экологию можно определить как науку, изучающую взаимоотношения организмов и среды их обитания. Однако со времен Геккеля экология основательно преобразилась, задачи ее значительно расширились и сегодня такого определения явно недостаточно. Чтобы лучше понять, что является предметом изучения современной экологии и определить ее задачи, рассмотрим краткую историю развития этой науки.

Хотя экология считается наукой молодой, знания экологического характера человечество накапливало с незапамятных времен. По своей сути в значительной мере экологическими были труды первых ученых-естествоиспытателей Аристотеля (384-322 г. до н.э.) и Теофраста (371-280 г. до н.э.), искавших зависимости между свойствами живых существ и условиями обитания. Аристотелем описано около 400 видов животных и птиц, их поведение и связь с окружающей средой; в работах Теофраста мы находим описание 500 видов растений и их сообществ. Ж.-Б.Ламарк (19в.) раскрыл ряд закономерностей влияния среды на организмы. Он впервые обратил внимание на специфическую роль человека в природе и ее возможные катастрофические последствия: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Подобные пророчества имеются уже у Леонардо да Винчи (16в.)

Ч.Дарвин в труде «Происхождение видов» большое внимание уделяет приспособлениям (адаптациям) и взаимоотношениям организмов.

Э.Геккель отмечал, что одной из задач данной науки является исследование всех тех взаимоотношений организмов, которые Дарвин обозначил как борьбу за существование. Геккель определял экологию как сумму знаний, относящихся к экономике природы.

Существенный вклад в развитие экологии внесли русские ученые.

Докучаев В.В. (1846-1903), являясь почвоведом-географом, показал тесную связь живых организмов и неживой природы на примере почвообразования и выделения природных зон.

Морозов Г.Ф. (1867-1920) обнаружил всесторонние связи в лесных сообществах, рассматривая их как единые системы.

Высоцкий Г.Н. (1865-1940) развивал то же направление применительно к решению конкретных вопросов степного лесоразведения.

Изучением лесных экосистем занимался Сукачев В.Н. (1880-1967).

Вернадский В.И. (1863-1945) – автор учения о биосфере, всесторонне рассмотрел роль живых организмов на планете.

Кашкаров Д.Н. (1878-1941) выступал за введение с.-х. экологии, считал необходимым широкое внедрение положений экологии не только в агрономию, но и в животноводство.

Болотов А.Т. (1738-1833) – выдающийся русский ученый-агроном – видел взаимозависимость пашни, луга и скота и эмпирически нашел их оптимальное соотношение для обеспечения высокого урожая и сохранения почв.

Другие знаменитые ученые, внесшие вклад в развитие экологии и имена которых следует знать – это Ю.Либих (закон минимума), А.Тэнсли (концепция экосистемы), Б.Коммонер (законы разумного природопользования), Н.Ф.Реймерс, Ю. И Г.Одум – авторы фундаментальных трудов по экологии.

На начальном этапе экологии исследования носили чисто биологический характер. Постепенно объекты изучения усложнялись, рассматриваются не отдельные организмы, а сообщества, экосистемы, биогеоценозы.

В 50-60 гг. 20 века появляются глобальные экологические проблемы – кислотные дожди, смоги, стало прогрессировать разрушение озонового слоя, усилился парниковый эффект. Человечество было вынуждено задуматься о цене научно-технического прогресса и своей роли в трансформации глобальной экосистемы – биосферы. До этого времени человек в экологии не рассматривался, считалось, что он, как существо социальное, стоит вне и над природой.

К настоящему времени экология перестала быть биологической наукой. Современное ее определение звучит так:

Экология – это комплексная наука, изучающая условия возникновения, формирования и функционирования живых систем всех уровней организации от организма до биосферы в целом и их взаимоотношения с окружающей средой. Человек рассматриваетсяодновременнокак неотъемлемая часть природы и как мощный экологический фактор (антропогенный).

В настоящее время в экологии наибольшее развитие получили следующие направления:

1. Классическая экология (общая, биологическая) – изучает естественные биологические системы всех уровней организации, их взаимодействие с окружающей средой. Общая экология имеет следующие разделы:

v Факториальная экология – изучает факторы среды и закономерности их воздействия на живые организмы

v Экология организмов (особей) – аутэкология (от греч. autos –сам) – изучает пределы существования особей организмов в окружающей среде, ответные реакции организмов на действие факторов внешней среды

v Экология популяций – демэкология (от греч. demos – народ) – рассматривает взаимосвязь организмов одного вида между собой и с окружающей средой. Главная задача – изучение динамики численности популяций.

v Учение об экосистемах – синэкология (от греч. syn – вместе), экология биогеоценозов - рассматривает взаимодействия между особями разных видов с окружающей средой и между собой.

v Экология биосферы - изучает закономерности формирования и развития биосферы как области существования живого вещества на планете, а также глобальные процессы, происходящие в литосфере, гидросфере, атмосфере и влияние деятельности человека на эти процессы.

2. Геоэкология – изучает взаимодействия организмов и среды их обитания с точки зрения их географической принадлежности Рассматриваются геосистемы разного уровня организации и их антропогенные изменения. По типам среды выделяют

o экологию суши,

o экологию моря,

o экологию крайнего Севера и т.д.

3. Экология человека – изучает природную сущность человека, среду его обитания и экологические факторы здоровья. Выделяют

· экологию города,

· экологию народонаселения,

· аркологию и т.д.

4. Социальная экология рассматривает взаимосвязи и взаимозависимости в системе «общество-окружающая среда».

5. Прикладная экология – комплексная дисциплина, связанная с различными областями деятельности человека и взаимоотношениями между человеческим обществом и природой. Прикладная экология изучает взаимосвязи агроэкосистем, техносферы с окружающей средой. По сферам деятельности подразделяется на

§ промышленную,

§ сельскохозяйственную,

§ ветеринарную,

§ медицинскую,

§ химическую и т.д.

Кроме этого выделяют экологию растений, животных, микроорганизмов, водных организмов и т.д.

Ветеринарное направление в экологии стало развиваться в начале 70-х гг. 20 века. Его основоположниками можно считать сотрудников Казанской ветеринарной академии Шишкова В.П., Локтионова В.Н., Ахмадеева А.Н., Уразаева Н.А. и др.

В 1967 г. в отдельных хозяйствах Татарстана возникли трудности с диагностикой энзоотий, клиническим проявлением которых были рахит и остеодистрофия, в то время как животные содержались на пастбищах в летнее время и хозяйства были хорошо обеспечены кормами. Длительные исследования показали, что причиной явились антропогенные нарушения биотического круговорота в экосистеме аграрного ландшафта. Наблюдался безвозмездный вынос из почв йода, кобальта, марганца, меди. Дефицит микроэлементов в пищевой цепи также явился причиной эндемий (и энзоотий).

Ветеринарная экология – наука о биогеоценотической диагностике и профилактике болезней животных, повышении их продуктивности, методах экологически обоснованного производства высококачественной продукции для человеческого общества в рамках его устойчивого развития.

Установлено, что генетически обусловленные заболевания и аномалии у животных составляют всего лишь 6-8%. До 90% всех болезней составляют мультифакториальные заболевания, т.е. болезни, возникающие под действием факторов среды в совокупности с наследственной предрасположенностью. Таким образом, любая болезнь (спорадическая или энзоотическая) есть следствие нарушений взаимоотношений между животными и окружающей средой, т.е. она представляет собой природный процесс, изучаемый экологией. Ветеринарная экология близка биогеоценотической патологии – науке о болезнях, возникающих у животных вследствие негативных изменений в биогеоценозах.

Ветеринарная экология тесно связана с с другими ветеринарными и зоотехническими науками: клинической диагностикой, терапией, эпизоотологией, паразитологией, хирургией, акушерством, ветеринарно-санитарной экспертизой, гигиеной.

Приоритетными проблемами ветеринарии сегодня являются:

1) патологии продуктивных животных при промышленном животноводстве (кетозы коров, остеодистрофия и др.),

2) инфекционные заболевания, связанные со скученным содержанием животных и т.д.,

3) геохимические энзоотии, связанные с загрязнением окружающей среды агрохимикатами, отходами промышленности (нитратный токсикоз, флюороз…),

4) зооантропозы (заболевания, общие для человека и животных – туберкулез, грипп и др.).

5) проблема санитарно-гигиенической оценки пищевой продукции животного происхождения.

В этой связи в задачи ветеринарной экологии входит:

· решение проблемы производства экологически чистой продукции животноводства,

· разработка мероприятий по охране природы как одного из необходимых условий создания высокопродуктивных стад.

· эколого-ветеринарная и санитарно-гигиеническая экспертиза продовольственного сырья и пищевых продуктов животного происхождения.

Основным понятием и основной таксономической единицей в экологии является экосистема. Этот термин был введен в 1925г Артуром Тэнсли. Существует несколько определений экосистемы, приведем некоторые из них.

Экосистема – любое сообщество живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое.

Экосистема – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором все компоненты связаны обменом вещества и энергии.

Экосистемы бывают различного ранга:

- микроэкосистемы - капля воды, муравейник, небольшой пруд;

- мезоэкосистемы – лес, река, озеро;

- макроэкосистемы – континент, океан;

- глобальная экосистема – биосфера.

Сходным по смыслу является понятие биогеоценоз. Этот термин введен в 1942г. В.Н.Сукачевым.

Биогеоценоз – это устойчивая система живых организмов (растений, животных, микроорганизмов), занимающих соответственный участок земной поверхности с особым микроклиматом, геологическим строением, почвой, водным режимом.

Экосистема и биогеоценоз в ряде случаев совпадают, но экосистема – более общее, безразмерное понятие (универсальное). Биогеоценоз – это экосистема, границы которой очерчены ареалом распространения растительного покрова – фитоценоза. Например, лесные, болотные, луговые биогеоценозы.

Сходство экосистемы и биогеоценоза в том, что в обоих случаях рассматривается совокупность живых организмов и среды их обитания.

Отличие заключается в том, что:

1) биогеоценоз рассматривают, как правило, при изучении сухопутных экосистем;

2) обязательным компонентом биогеоценоза является фитоценоз – растительное сообщество.

За счет фитоценоза в биогеоценоз постоянно идет приток энергии от Солнца, экосистемы без растений являются недолговечными.

Биоценоз – группировки взаимно обитающих и взаимосвязанных организмов.

Биотоп (экотоп) - пространство, занимаемое биоценозом, его среда обитания.

С использованием данных понятий можно дать краткое определение биогеоценоза: это биоценоз, занимающий определенный биотоп.

Популяция – (от лат. populus – народ) – часть особей, принадлежащих к одному виду, занимающих определенную область (ареал) и способных к саморегуляции и поддержанию определенной численности.

Сообщество – данный термин имеет неоднозначное содержание. Его используют как синоним биоценоза, когда рассматривают совокупность разных видов; а также им обозначают совокупность только растений (фитоценоз), либо животных (зооценоз), или микробного населения (микробоценоз).

Различают следующие уровни организации живых систем:

1. Молекулярный (или генный)

2. Клеточный – биологически активные молекулы объединяются в единую систему. Все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3. Тканевый – сочетание сходных по строению и выполняемым функциям клеток образует ткань.

4. Органный – несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют орган.

5. Организменный – взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма.

6. Популяционно-видовой – уровень, где существует совокупность однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения.

7. Биоценостический – совместно обитающие и взаимодействующие виды образуют целостность – биоценоз.

8. Биогеоценотический (экосистемный) – уровень, объединяющий разные по видовому составу организмы в их взаимосвязи с условиями обитания (в биотопе).

9. Биосферный уровень – природная система самого высокого ранга, охватывающая все проявления жизни на планете. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей средой за счет обмена веществом, энергией и информацией возникают характерные функциональные системы.

Между названными уровнями организации живого существует соподчиненность. Более простые уровни входят как основные элементы в более сложные. Однако на каждом более высоком уровне появляются свойства и закономерности, их описывающие, которых не было на предыдущем уровне. По мере объединения компонентов или подмножеств в более крупные функциональные единицы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущем уровне. Это свойство называется эмерджентностью.

Эмерджентность – это наличие у системы особых свойств, отсутствующих у элементов системы (от англ. emergent – непредвиденный, внезапно возникающий).

Свойства целого нельзя свести к сумме его частей, т. е. с помощью данных, полученных при изучении какого-либо уровня, нельзя объяснить явления, происходящие на следующем уровне. Эмерджентные свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не как результат суммирования свойств этих компонентов.

Данное явление отражено в принципе Берталанфи (1969): целое представляет нечто большее, чем сумма составляющих его элементов, т.к. главная характеристика его – взаимодействие, протекающее между элементами.

Точно так же как нельзя предсказать свойства воды, только исходя из свойств водорода и кислорода, нельзя предсказать и свойства экосистемы на основании сведений об отдельных популяциях. Необходимо изучать и лес в целом и отдельные деревья, находящиеся в лесу. Нельзя описать процессы, происходящие в лесной экосистеме только на основе знания свойств растений, животных, микроорганизмов без учета взаимодействия между ними.

Эмерджентным свойством является почвенное плодородие, которое является результатом сочетания многих элементов, таких как содержание питательных веществ, влаги, воздуха и др.

Полупроницаемость клеточной мембраны – эмерджентное свойство, которое отсутствует у протеинов и липидов, входящих в ее состав. Организм, состоящий из множества органов и систем, также обладает большим количеством новых свойств (способностью к размножению, иммунитетом и т.д.).

Из знания принципа эмерджентности вытекает и следующий важный вывод: свойства экосистемы можно неожиданно изменить, вмешавшись в природные процессы и нарушив естественную связь между ее элементами. Примером может послужить гибель Арала, негативные последствия осушения болот, уничтожение отдельных видов хищников и др.

Эмерджентность экосистемы определяется ее видовым разнообразием. Чем больше видов - тем больше эмерджентность. В природных экосистемах с богатым видовым разнообразием наблюдаются сложнейшие взаимосвязи, коэффициент эмерджентности их высок.

В агроэкосистемах (с.-х. посевы) бедный видовой состав и, следовательно, низкий коэффициент эмерджентности – низкая способность к саморегуляции и устойчивость. Агроценозы не могут существовать без поддержки и постоянного вмешательства со стороны человека, т.к. сразу начинается внедрение нежелательных видов – сорняков, вредителей, различных возбудителей болезней.

Экология в основном изучает надорганизменные системы: популяции, биоценозы, биогеоценозы, биосферу. В настоящее время экологические принципы все шире начали использоваться при изучении организмов и суборганизменных систем. Сформировалась новое направление, получившее название эндоэкология. В структуру эндоэкологии входят разделы: физиологическая экология, морфологическая экология, молекулярная экология. Эндоэкология тесно связана с патологией и диагностикой животных. Так, любой организм представляет собой организменный биоценоз – хозяин + микрофлора и микрофауна. У КРС в рубце – 45 видов инфузорий, некоторые из которых – хищники, у других есть бактерии-симбионты. Действие антибиотиков, антигельминтных препаратов и др. может приводить к непредсказуемым последствиям. Самое простое – дисбактериоз.

Основой такой биологической функции, как гомеостаз, является способность живых организмов и биологических систем противостоять изменениям среды; при этом организмы пользуются автономными механизмами защиты.

Гомеостаз в классическом значении этого слова физиологическое понятие, обозначающее устойчивость состава внутренней среды, постоянство компонентов ее состава, а так же баланс биофизиологических функций любого живого организма. Впервые этот термин применил ученый-физиолог, американец У.Кеннон в начале двадцатого века. Гомеостаз - это итог сложного механизма взаимодействия в сфере регуляции и координирования, которое происходит как в организме в целом, так и в его органах, клетках и даже на уровне молекул.

Исследование объектов с функцией обратной связи помогло ученым узнать о многочисленных механизмах, отвечающих за их устойчивость. Даже в условиях серьезных изменений, механизмы адаптации (приспособления) не дают химическим и физиологическим свойствам организма сильно измениться. Нельзя сказать, что они остаются абсолютно стабильными, но серьезных отклонений обычно не происходит.

Наиболее хорошо развит механизм гомеостаза в организмах у высших животных. В организмах птиц и млекопитающих (включая человека) функция гомеостаза позволяет поддерживать стабильность количества ионов водорода, регулирует постоянство химического состава крови, держит давление в кровеносной системе и температуру тела примерно на одном уровне.

Существует несколько способов, которыми гомеостаз воздействует на системы органов и организм в целом. Это может быть воздействие с помощью гормонов, нервной системы, выделительных или нейро-гуморальных систем организма.

Например, стабильность давления в артериях поддерживается при помощи регулирующего механизма, который работает по образу цепных реакций, в которые вступают кровеносные органы.

Примером гомеостаза в растительном мире может служить сохранение постоянной влажности листьев путем раскрытия и закрытия устьиц.

Такой вид гомеостаза, как популяционный (его другое название генетический) играет роль регулятора целостности и стабильности генотипического состава популяции в условиях переменчивой окружающей среды. Этот вид гомеостаза дает популяции возможность сохранять оптимальный генетический состав, что позволяет сообществу живых организмов сохранять максимальную жизнеспособность.

Гомеостаз также свойственен и для сообществ живых организмов любой степени сложности; к примеру, то, что в рамках биоценоза сохраняется относительно стабильный состав видов и особей, является прямым следствием действия гомеостаза.

Деятельность человека очень часто препятствует нормальной работе механизмов саморегуляции сложных природных систем: она нарушает взаимосвязи между организмами в цепях питания, изменяет условия их существования и т.д. Поэтому при любом вмешательстве в природные экосистемы необходимо придерживаться принципов (законов) рационального природопользования, которые в краткой форме сформулировал американский эколог Б.Коммонер.

1. «Все связано со всем» - закон отражает системность, связность всех природных явлений. Изменение одного из компонентов биосистемы вызывает нарушение ее равновесия, изменяя другие компоненты. Непродуманное осушение болот вызывает обмеление рек, эрозию почвы и т.д. Животные на пастбище влияют на растительность, почву. Перевыпас: растительный покров не восстанавливается – развитие дистрофии и др. алиментарных заболеваний. Велика роль человека, особенно в ферменнных БГЦ.

2.«Все должно куда-то деваться» - в основе его – закон сохранения вещества и энергии. При возрастании потребления природных ресурсов увеличиваются и отходы, загрязняющие окружающую среду. Абсолютно безотходное производство невозможно, как невозможен вечный двигатель. Промышленные выбросы, рассеянные в атмосфере благодаря высоким трубам, все равно возвращаются на землю. Захороненные в океане радиоактивные отходы также никуда не исчезают. Отходы животноводства и загрязнение окружающей среды.

3.«Природа знает лучше» - этот закон ориентирует на согласованность действий человека и природы. Природа – сложный механизм, отрегулированный тысячелетиями эволюции, в природе все разумно. Мы должны использовать знания о природных закономерностях, а не стремиться переделать природу. Познание законов природы и действие сообразно с ними. Нормы выпаса, утилизация навоза, получение качественных кормов.

4.«Ничто не дается даром» или " за все надо платить". Дешевому природопользованию не должно быть места. Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов невозможны без определенных экономических затрат. Получение сиюминутных выгод может повлечь за собой огромные затраты на восстановление нарушенного равновесия в природе (например, вырубка леса, загрязнение водоемов). Затраты на лечебно-профилактические мероприятия, создание и поддержание надлежащего состояния помещений и пастбищ, очистные сооружения. Оплата может быть лишь отсрочена, но потом придется платить дороже (с процентами).

Поиск компромисса взаимоотношений человека с природой нашел свое выражение в концепции «устойчивого развития», принятой мировым сообществом в 1992г. в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств на Конференции ООН по окружающей среде и развитию.

Устойчивое развитие – это такое развитие, при котором удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения обеспечивается при сохранении подобной возможности для будущих поколений. Устойчивое развитие – образ жизни и хозяйственной деятельности общества, при котором потребности людей и их потомков могут быть обеспечены без снижения высокого качества окружающей природной среды.

«Концепция национальной стратегии устойчивого развития Республики Беларусь», впервые принята в 1996 г. и обновлена в 2004 г.