Экология

Основные понятия и принципы экологии. В буквальном смысле слово «экология» означает науку о «доме» (от греч. «ойкос» - жилище, местообитание). Экология входит в цикл биоло­гических наук – это наука о местообитании живых существ и их взаимоотношении с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Термин «экология» предложил не­мецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но наибольшее развитие эта наука получила в XX веке.

Экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным (биологическим) и глобальным (биосферным). Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимо­действие отдельных видов со средой, и синэкологию, которая изуча­ет сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокуп­ность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Основные понятия аутоэкологии – популяция, местообитание, экологическая ниша. Популяцией называется группа организмов, от­носящихся к одному или близким видам и занимающая определенную область, называемую местообитанием. Важной экологической характеристикой популяции является ее численность - общее количество особей вида, присутствующее на той или иной территории. Согласно современным представлениям популяция является элементарной единицей эволюции. С точки зрения эволюции важна не общая численность особей в популяции, а эффективная (репродуктивная) численность, т.е. та часть популяции, которая формирует генофонд следующего поколения.

Средняя численность большинства крупных популяций изменяется из года в год относительно мало, главным образом, потому, что организмы размножаются более интенсивно при меньшей плотности популяции и менее интенсивно при большей плотности. Основными причинами колебаний численности популяций связаны с изменениями условий существования: изменение действия абиотических факторов среды, изменение межвидовых отношений (враги, паразиты), изменение количества и качества корма.

Популяционные волны - это вспышки численности, периодические или непериодические значительные изменения числа особей в популяции. С. С. Четвериков назвал популяционные волны и 1905 г. " волнами жизни". Масштабы колебаний численности у популяций разных видов обычно разные. Флуктуации численности вызываются самыми различными причинами, для различных видов эти причины не всегда одинаковые. Но есть и причины общего характера. Так, периодические колебания численности популяций, имеющих 10-11-летний период, объясняются периодичностью активности Солнца.

Совокупность условий, необхо­димых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях пита­ния. В зависимости от характера питания строится пирамида пита­ния, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший уровень занимают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими соединениями, прежде всего растения. На более высоком уровне располагаются ге­теротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений. За­тем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. травоядными животными и т. д.

Организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических, называют продуцентами, к ним относятся все автотрофные организмы. Организмы, потребляющие готовые органические вещества (но не доводящие разложение органических веществ до простых минеральных составляющих), называют консументами (от лат. consumo – потребляю). Совокупность консументов образует трофические цепи, в которых выделяют консументы первого порядка (растительноядные), второго, третьего и т.д. порядков (хищники). Все гетеротрофные организмы относятся к консументам. Третья разновидность организмов редуценты – (от лат. reducentis - возвращающий, восстанавливающий). Редуценты (другое название – сапротрофы) – это организмы, разлагающие мертвоеорганическое вещество (трупы, отбросы) и превращающие его в неорганические вещества, которые затем усваиваются продуцентами.

Один из важнейших принципов экологии – принцип устойчивости, в соответствии с которым чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем устойчивей биосфера. В экологии показано, что живой мир – не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотноше­ний. Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все ос­тальное.

К важным выводам экологии можно отнести следующие, отмечав­шиеся еще Вернадским. 1. Каждый организм может существовать толь­ко при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой. 2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и веществ. 3. Раз­меры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Чис­ленность популяции колеблется вблизи равновесного уровня.

Равновесие в живой природе не статично, как равновесие крис­талла, а динамично, представляя собой движение вокруг точки ус­тойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние назы­вается гомеостазом («гомео» - тот же, «стасис» - состояние). В преде­лах «гомеостатического плато» за счет отрицательных обратных связей живой организм поддержи­вает параметры своей внутренней среды, противодействуя внешним воздействиям, на таком постоянном уровне. Например, кровяное давление, частота пульса, температура тела – все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем.

Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, получил название гомеореза. Он дает возможность как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое через неравновесные точки (как бы «с кочки на кочку»), тем самым проявляя такую отличитель­ную особенность живых тел, как их способность поддерживать устой­чиво неравновесное состояние. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на дос­таточно высоком уровне упорядоченности (на достаточно низ­ком уровне энтропии), является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания.

Закономерности развития экосистем. Одним из основных достижений экологии стало обнаружение того обстоятельства, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Развитие экосистем (сукцессия) – это последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе. Сукцессия состоит из стадий развития, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности системы: на первой стадии продукция рас­тет до максимума, на второй остается постоянной, на третьей уменьшается до нуля по мере разрушения системы. Развитие экосистем всегда идет в направлении повышения их устойчивости, достигаемой за счет увели­чения разнообразия. Распространив этот вывод на всю биосферу, по­лучаем ответ на вопрос, зачем природе нужны 2 млн. видов. И то, что современный человек уменьшает многообразие природы, - очень опасно для нее.

Первыми экосистемами, которые изучались с помощью количест­венных методов были системы «хищник - жертва». Американец Лотка в 1925 году и итальянский ученый В. Вольтерра в 1926 году создали математические модели роста отдельной популяции и динамики попу­ляций, связанных отношениями конкуренции и хищничества. Исследо­вание системы «хищник-жертва» показало, что типичной для популя­ции жертв эволюцией является увеличение рождаемости, а для попу­ляции хищников - совершенствование способов ловли жертвы.

К интересным результатам привело изучение системы «паразит - хозяин». Казалось бы, отбор должен вести к уменьшению вредности паразита для хозяина, но это не так. И в этой паре идет конку­рентная борьба, в результате которой усложняются и те, и другие. Гибель одного ведет к гибели другого, а сосуществование увеличи­вает сложность всей системы.