Тема 1. сущность экологии. организм и среда обитания
Целевая установка:Раскрыть сущность экологии и особенности экологического подхода к процессу познания и практической деятельности человека, рассмотреть основные этапы становления экологии как науки и роль российских ученых в ее развитии, уровни организации живой материи и ее основные свойства.
После изучения данной темы слушатели смогут:
дать определение экологии;
назвать основные задачи экологии как науки;
определить сущность обмена веществ, энергии и информации;
сформулировать закон физико-химического единства всего живого Вернадского и закон киральной чистоты Пастера;
охарактеризовать наследственность, изменчивость, саморегуляцию, дискретность и другие свойства живых организмов;
осуществить классификацию живых организмов по способам питания, отношению к кислороду и другим основаниям.
В лекции рассматриваются следующие вопросы:
1.1. Сущность экологии
1.2. Развитие современной экологии
1.3. Место экологии в системе естественных наук и ее структура
1.4. Уровни организации живой материи
1.5. Обмен веществ
1.6. Основные свойства живого вещества
1.7. Классификация живых организмов
Контрольные вопросы для самопроверки
Сущность экологии
Экология – это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой.
Этот термин нередко употребляют в сочетании с такими словами, как общество, культура, семья, здоровье и так далее. Наиболее часто применяют это слово, указывая на неблагополучное состояние окружающей нас природы.
Термин «экология» образован от двух греческих слов (oikos-дом, жилище и logos-наука, знание), то есть означает в буквальном смысле «наука о местообитании».
Любой натуралист-исследователь растительного и животного миров — всегда не только ботаник или зоолог, но и эколог, поскольку невозможно изучать тот или иной организм в отрыве от его местообитания. Поэтому великими экологами прошлого, вне всякого сомнения, можно назвать шведа К. Линнея (1707—1778), француза Ж.Б. Ламарка (1744-1829), англичан Т. Мальтуса (1766-1834) и Ч.Дарвина (1809-1882).
Первым трудом по экологии следует считать работу Ч. Дарвина (1859 г.) «Происхождение видов». Сформулированный им вывод о существующей в природе постоянной борьбе за существование принадлежит, без сомнения, к числу центральных положений экологии. В 1866 г. вышел в свет фундаментальный труд немецкого зоолога Э. Геккеля «Всеобщая морфология организмов». В нем впервые дано общее определение экологии как суммы знаний по совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Ученый отнес экологию к биологическим наукам и наукам о природе, которые, прежде всего, интересуют все стороны жизни биологических организмов.
В качестве самостоятельной науки экология сформировалась к началу двадцатого века. При этом наряду с зарубежными учеными в ее развитие и становление внесли огромный вклад наши соотечественники: Тимирязев К.А., Докучаев В.В., Вернадский В.И., Вавилов Н.И., Сукачев В.Н., Шварц С.С, Морозов Г.Ф., Яблоков А.В., Реймерс Н.Ф. и другие.
Так, крупнейший русский ученый Вернадский В.И. создал учение о биосфере, указав при этом, какую огромную роль играют живые организмы в геохимических процессах на нашей планете.
Истинное значение экологии по-настоящему стали осознавать лишь на закате XX века, когда возрастание численности населения планеты и резко усилившееся воздействие человека на природную среду, приведшее к ее деградации, поставили совсей остротой вопрос быть или не быть человеческой цивилизации. Чтобы удовлетворить свои немалые потребности в чистом воздухе, воде и физиологически здоровой пище, человеку надо знать не только как устроена и как функционирует природная среда, но и как сделать ее союзником для себя, сведя до минимума наносимый ей вред. Эти проблемы как раз и изучает экология.
Правомочен вопрос: чем же отличается экология от других биологических наук, например, ботаники, зоологии и многих других? С целью ответа на этот принципиальный вопрос необходимо рассмотреть основные объекты экологического изучения или ее основные подразделения путем перехода от простого к сложному.
Логика развития экологии как науки, а также потребности практической охраны объектов природы обусловили создание так называемого экологического варианта системного познания или экологического подхода.
Особенностью последнего является то, что в представление об экологической системе входят две крупные подсистемы: одна из них условно помещается в центре и рассматривается как главный (или центральный) объект, а другая — как окружающая среда. Эти подсистемы непрерывно обмениваются веществом, энергией и информацией. Все связи оцениваются, прежде всего, по их воздействию на установленный объект. Выбирая по тому или иному критерию центральный объект (организм, популяцию и т.д.), ученые автоматически разграничивают систему и среду, выявляя при этом контуры основных связей между ними.
Следуя этому подходу, можно мысленно вычленить из мира живой природы, всего многообразия живых организмов только одну особь. Эта условно изолированная особь (например, заяц) будет находиться под воздействием только факторов окружающей среды, среди которых основными окажутся климатические. Именно они, прежде всего температура, влажность, освещенность и др. имеют определяющее значение в распространении тех или иных видов на Земле. Кроме того, для водных организмов особое значение приобретает вода как единственная среда обитания, а для наземных растений огромную роль играют физические и химические свойства почвы.
Изучение действия различных природных факторов на отдельные (искусственно изолированные) организмы есть первое и наиболее простое подразделение экологии — аутэкология.
Рассмотрим далее более высокий уровень организации живой материи, когда особь находится в окружении таких же особей, которые вместе занимают определенную территорию и относятся к одному виду. Такие группы называют популяциями (от лат. populus - народ, население). В популяции особь начинает испытывать влияние соседей, а главное - начинает воспроизводиться. При этом, очевидно, возникают новые проблемы, которые обусловливают необходимость изучения влияния тех же внешних факторов, но уже не на отдельную особь, а на группу особей, на изменение ее состава и численности.
Нельзя полагать, что популяция - просто сумма отдельных особей, а ее свойства - лишь сложение свойств этих особей. У популяции в результате сложного взаимодействия входящих в нее организмов появляются только ей присущие свойства, которые совершенно не присущи отдельной особи (например, способность к размножению, а следовательно, к изменению численности и полового состава).
Исследование жизнедеятельности отдельных популяций, определение характера и причин их изменений, происходящих в результате внешних и внутренних воздействий, составляет предмет популяционной экологии, или демэкологии.
Как отдельная особь не способна длительно существовать вне «родной» популяции, так и сама популяция не может жить изолированно: она нуждается в веществе и энергии, информации, пространстве и других ресурсах, без которых нет жизни. Вследствие этого одна популяция вступает во взаимоотношения, причем самые разнообразные, с другими популяциями. Это и борьба за пространство и пищу, но это может быть и взаимная помощь (опыление насекомыми растений) и так далее. Иными словами, различные популяции связаны множеством нитей, они, объективно повинуясь законам природы, не могут существовать друг без друга. Следовательно, совместно обитающие популяции различных организмов всегда образуют определенное единство, которое называют сообществом, или биоценозом. Важнейшее свойство сообщества — устойчивость, то есть способность к самоподдержанию своих природных свойств и видового состава при внешних воздействиях. При этом важно подчеркнуть, что устойчивость сообщества обусловлена как устойчивостью входящих в него популяций, так и особенностями взаимодействия между ними. Изучение сообществ, их взаимоотношений с окружающей средой составляет предмет экологии сообществ, или синэкологии (от греч. sun - вместе, с).
Однако и сообщество не способно существовать изолированно от окружающей среды, так как многие виды взаимоотношений популяций, входящих в сообщество, осуществляются через элементы неживой природы или весьма зависят от нее (например, хищники обычно выходят на охоту ночью). Сообщество живых организмов занимает определенное жизненное пространство, которое называется биотопом (от греч. bios — жизнь и topos — место).
Биотоп вместе с сообществом живых организмов различных видов образуют экологическую систему, или сокращенно экосистему. Главная ее особенность состоит в том, что в ней длительное время поддерживаются вполне устойчивые взаимодействия (обмен веществом, энергией и информацией) между элементами живой и неживой природы. Таким образом, в отличие от популяции или даже сообщества экосистему можно считать вполне самостоятельным объектом, так как в ней имеются все компоненты, необходимые для ее длительного существования. Экосистемами являются лес, озеро, тундра и так далее, но к ним следует отнести и каплю воды со всеми ее обитателями.
Совокупность всех экосистем планеты, которые имеются в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимодействии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли - биосферу.
Изучение биосферы, в которой все живые организмы тесно связаны между собой и со своим окружением, состоящим из элементов неживой природы (воды, воздуха, почвы, света, температуры и др.) - задача сложнейшего раздела экологии - глобальной экологии.
В экологии имеются и другие подразделения, определяемые тем, что ставится в центр внимания, что является центральным объектом изучения. Так, если таковым служит изучение человека, то отраслью экологии, применяющей экологический подход к человеческому обществу, будет экология человека. Она изучает вопросы сохранения и развития здоровья людей на основе выявления зависимости организма человека, его психики от состояния природной и социальной среды.
В последнее время важнейшим направлением экологии становится социальная экология. Она призвана объяснить и дать прогноз основных путей развития взаимодействия общества с природной средой, имея целью их гармонизацию на различных уровнях - локальном, региональном, глобальном. Отметим, что среди естественных наук экология впервые включила в круг своих интересов вопросы улучшения условий жизнедеятельности людей.
Итак, экология - синтетическая биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.
Она изучает влияние факторов среды на растительные и животные организмы, реакции отдельных особей, популяций и сообществ на эти факторы, а также механизмы, которые влияют на численность популяций, их структуру, исследует биологическую продуктивность природных сообществ, закономерности функционирования экологических систем.
Как учебный предмет экология делится на четыре основных раздела: 1) аутэкология, или факториальная экология (учение об экологических факторах); 2) экология популяций, или демэкология; 3) экология сообществ и экосистем, или биогеоценология; 4) основы учения о биосфере, или экология биосферы.
При изучении многообразных процессов, которые происходят в живой природе, экология использует много методов, среди которых главными являются метод наблюдения, сравнительный метод, исторический метод, экспериментальный метод и моделирование. В частности, исторический метод изучает закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функции. В лабораторных опытах исследуется влияние разных условий на организмы, устанавливается их реакция на заданные воздействия. В процессе изучения отношений организмов со средой обитания в искусственно созданных условиях можно достаточно глубоко разобраться в происходящих явлениях природы.
В то же время, очевидно, что взаимосвязи живых организмов с окружающей их средой, которая характеризуется множеством элементов и явлений, могут быть изучены наиболее полно лишь в природных условиях. Именно вследствие этого натурные наблюдения и эксперименты занимают самое важное место.
Относительно новым методом исследования в современной экологии является моделирование, позволяющие изучать сложные объекты, явления и процессы путем их упрощенного имитирования (натурного, математического, логического). Существенным преимуществом экспериментов на модели является то, что при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения (например, температура), которые в ряде случаев не могут быть воссозданы на самом объекте.
Экология — наука, использующая для своего развития данные самых разных дисциплин. Она тесно переплетается с целым рядом смежных наук: биологией (ботаникой и зоологией), географией, геологией, физикой, химией, генетикой, математикой, медициной, агрономией, архитектурой и многими другими. Изучая самые высокие уровни интеграции живой материи, и в процессе познания переходя от популяции какого-либо одного вида к сообществам и экосистемам и, наконец, к биосфере в целом, экология объединяет в научном поиске и нередко координирует усилия специалистов и ученых многих направлений.
Сегодня экология перестала быть чисто естественной биологической наукой, это - комплексная социоестественная наука. В ее предмет практически вовлечены все стороны жизнедеятельности человека. Накапливая экологическое знание, постепенно меняя свои представления о существующем порядке в природе, человек начинает понимать: порядок этот не случаен, он необходим для существования и развития самой человеческой цивилизации.
Признавая важную роль экологии, которую она играет в современном мире, отводя ей подобающее место в естествознании, следует научиться правильно пользоваться ее законами, понятиями, терминами. Это особенно важно, если вспомнить, что хищническое подчас использование человеком природных богатств при незнании или нежелании постичь законы природы часто приводит к тяжким и даже непоправимым последствиям. Об этом свидетельствуют трагедии исчезнувших цивилизаций, а также современный международный опыт и опыт нашей страны. Печальными примерами неразумного природопользования являются гибель Аральского моря, угроза экологической катастрофы, нависшая над Байкалом, Ладогой, Волгой. Крайне загрязнена атмосфера и резко ухудшились условия жизни в большинстве крупных городов. Тысячи квадратных километров территории стали опасны для людей и многих других организмов в результате катастрофы лишь одного энергоблока Чернобыльской АЭС. Под знак вопроса подводится возможность существования человеческой цивилизации вообще.
Следует осознать, что человек для природы всего лишь один из многочисленных порожденных ею видов живых существ. Война, которую человек фактически ведет с природой, — заранее проигранная война: кто бы ни победил в ней - человек обречен. Выход из создавшегося положения - мирное сосуществование человеческого общества и природы, при котором должна быть разумно перестроена жизнь и отдельного человека, и общества в целом.
Все это определяет стратегическую задачу экологии: на основе познания законов природы, используя все достижения научно-технического прогресса, создать научную базу для гармонизации взаимоотношений человеческого общества и природы и разработать практические рекомендации, направленные на оздоровление и поддержание надлежащего качества природной среды, без чего невозможно нормальное существование всего ныне живущего на Земле и жизни как таковой в перспективе.
В табл. 1.1 приведен календарь событий, иллюстрирующий долгий путь становления экологии как науки.
Таблица 1.1
Календарь становления экологии как науки