Курс лекций по "Экологии"

Экология - наука о взаимном отношении окружающей среды, живых организмов и человека.

Предмет экологии – совокупность и структура связи между организмами и окружающей средой.

Объект экологии – экосистемы. 

Общая экология – изучает закономерности взаимоотношений живых организмов разных уровней со средой и между собой.

Разделы общей экологии:

1. Аутэкология – изучает взаимоотношения индивидуальных организмов с окружающей средой.
2. Демэкология (экология популяций) – изучает структуру и динамику популяций отдельных видов.
3. Синэкология (экология сообществ) – изучает взаимоотношения популяций, сообществ, экосистем со средой.
4. Биосферная экология (глобальная экология) – изучает процессы, происходящие в биосфере в целом.

 

Прикладная  экология – включает в себя аспекты инженерной, социальной, экономической среды обитания человека, экологических принципов охраны окружающей среды; изучает механизмы разрушения человеком биосферы, способы предотвращения этого процесса, разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. 

Задачи  общей экологии:

1. Разработка общей теории устойчивости экологических систем.
2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде.
3. Исследование регуляций численности популяций.
4. Изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания.
5. Исследование продукционных процессов.
6. Исследование процессов протекающих в биосфере с целью поддержания ее устойчивости.
7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Задачи  прикладной экологии:

1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей среде под влиянием человека.
2. Улучшение качества окружающей среды.
3. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.
4. Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологич. безопасного устойчивого развития.

 

Аутэкология

Экологический фактор – любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живые организмы на одном (или нескольких) этапе развития организма.

Виды  экологических факторов:

Природные      Антропогенные

Абиотические:     Биотические:

а) физические:     фитогенные (растения)

- климатический     зоогенные (животные)

- топографический     микробиогенные (микроорганизмы)

- высокотемпературный

б) химические:

- основные вещества

- примеси

- токсичные примеси

- кислотность и щелочность среды 

 

Типы взаимоотношения  организмов:

++ мутуализм (птичка и носорог)

+- паразитизм (блохи)

+- хищничество (заяц и волк)

+0 коменсализм (насекомые в норе медведя)

+0 протокооперация (рак-отшельник и актиния)

-0 аменсализм (человек задавил муравья)

00 нейтрализм (лоси и белки)

-- конкуренция (сорняки и другие растения) 

Закон минимума Либиха (1840): фактор, находящийся в минимуме будет ограничивать организацию всего живого.

Толерантность – способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Закон толерантности Шелфорда (1931): любой живой организм имеет определенные эволюционно-унаследованные пределы устойчивости (толерантности) к любому эколог. фактору.

Организмы с широк. диапазоном толерант. назыв. эвриорганизмы, с узким – стеноорганизмы. 

Демэкология

Популяция – любая способная к воспроизводству группа особей одного вида более или менее изолированных в пространстве от особей другого вида.

Статистические свойства – состояние популяции в определенный момент времени:

1. Численность (биомасса организмов). Численность не может быть меньше чем это необходимо для обеспечения ее структуры, воспроизводства и устойчивости к факторам внешней среды. Численность не может быть больше емкости среды, которая может быть достигнута в идеальных условиях.
2. Плотность популяции – количество особей на единицу пространства. Виды: средняя, удельная, относительная.
3. Структура популяции – как популяция организована внутри. Виды:

возрастная структура – соотношение численности особей различного возраста. Для описания этой структуры выделяют:

  3 экологич. возраста: предропредуктивный, репродуктивный, пострепродуктивный.

     3 вида возрастных пирамид: быстрорастущая, сокращающаяся, стабильная.

     половая структура – характеризуется соотношением численности особей разного пола.

     пространственная  структура – 3 типа распределения особей в пространстве:

случайное, равномерное (сильная конкуренция между особями), неравномерное / групповое (защита, размножене). 

Динамические  свойства – характеризуют процессы в популяции, которые протекают во времени.

скорость   рождаемость   смертность

изменения  =          и   –         и

численности   иммиграция   эмиграция

популяции 

Для оценки уровня рождаемости и смертности популяции по возрастам существует несколько методов: таблицы выживаемости, кривые выживаемости, математические модели.

Виды  таблиц выживаемости:

1. Когортная – таблица наблюдений за динамикой смертности в одной конкретной когорте (для организмов с коротким жизненным циклом).
2. Демографическая – таблица на основании краткосрочных наблюдений за смертностью во всех возрастных группах (для организмов с длинным жизненным циклом).
3. Промежуточная – строят когда время в течении которого могут сохранятся останки превышает длину жизни одного поколения (для давно умерших организмов).

 

Кривая выживания – это график зависимости от времени числа выживших на данной момент особей для некоторой начальной группы новорожденных.

Математические модели:

1. Зависимость численности от времени, экспоненциальная:

      , N – численность, R – врожденная скорость роста численности популяции.

Допущения: идеальная популяция, неограниченные ресурсы пространства и питания

2. , k – емкость среды (максимально возможная численность популяции).

Допущения:

• популяция размножается в условиях ограниченных пространства и ресурсов.
• все особи популяции должны потреблять одно и то же количество пищи и ресурсов, а при возрастании плотности популяции для них в равной степени должна возрастать вероятность гибели и снижаться вероятность оставить потомство.
• реакция организмов на возрастание плотности популяции должна быть практически мгновенной.

Колебания численности популяций:

1 –  циклическая популяция

2 –  стабильная популяция

3 –  скачкообразный рост численности 

 

Синэкология (экология сообществ – изучает взаимоотношения популяций, сообществ, экосистем со средой)

Биогенез (по Мебиусу) – организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства с более или менее однородными условиями.

биоценоз = фитоценоз (устойчивое растительное сообщество) + зооценоз (совокупность взаимосвязанных видов животных) + микробиоценоз (сообщество микроорганизмов) 

Трофическая структура (характеризует пищевые связи внутри биоценоза): 

Пищевая цепь – последовательность организмов, каждый из которых съедает или разлагает другой.

Трофический уровень – звено пищевой цепи. 

Простейшая  пищеварительная цепь состоит из трёх трофических уровней:

– разлагают органические вещества на минеральные составляющие – бактерии, грибы. 

– не могут производить органические вещества для существования своего тела и используют готовые органические вещества – все животные, птицы, пресмыкающиеся. 

– синтезируют органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии (автотрофы используют солнечную энергию, химотрофы используют энергию химических связей) - растения. 

Виды  пищевых цепей:

1. Пастбищные: автотрофные организмы (растения) → травоядные животные → хищники (фитопланктон → зоопланктон → рыбы).

Пр.: нектар → тля → божья коровка  → паук → насекомоядная птица  → хищник.

Детритные (наиболее распространенны в лесах): детрит (разлагающееся органическое вещество) → детритофаг (организмы, питающиеся мертвыми органическими веществами вместе с содержащимися в них микроорганизмами – личинки насекомых, дождевые черви, многие бактерии) → хищник.

Пр.: листовой опад → черви → птица (дрозд) → змея/хищная птица (ястреб);

падаль  → опарыши → лягушка → цапля  → волк. 

Для представления взаимоотношений различных видов в биоценозе используются экологические пирамиды:

     1. Пирамида численности (может быть как прямой, так и обратной)

     - консумент 3 порядка (хищники)

   - консумент 2 порядка (птицы)

                        - консумент 1 порядка  (гусеницы)

                        - продуценты (растительность)

Количество  подсчитывается на каждом трофическом  уровне. паразиты 

2. Пирамида  биомассы

Прямая - луг:                                                                        Обратная (перевернутая) – пруд:

                                                                                                                                               - зоопланктон