• определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду и выявление его факторов и источников.
1.3. Структура современной экологии
Современная экология не только использует свои методы исследования, но и широко применяет методы других наук – химии, физики, математики и т. д. Наряду с биоэкологией возникли экология человека и социальная экология. В зависимости от типа изучаемой биологической системы в экологии выделяют такие разделы, как аутэкологию, синэкологию, демэкологию.
Аутэкология (от греч. autos – сам) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма и среды его обитания. Задачей аутэкологии является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений. Изучение реакции организмов на воздействие факторов среды позволяет также выявить физиологические и морфологические изменения, характерные для данных особей. Следовательно, аутэкология изучает взаимоотношения особей и внешней среды. В основе этих отношений лежат морфологические реакции организма на воздействие среды.
Термин «аутэкология» был введен в 1896 г. швейцарским ботаником, флористом, профессором Карлом Шретером (1855–1939) именно для обозначения экологии особей.
При изучении экологии особей основное внимание уделяется:
• биохимическим реакциям;
• интенсивности газо- и водообмена, а также физиологическим процессам, определяющим состояние организма;
• использованию сравнительно-экологического и экологогеографического методов;
• сопоставлению состояния и реакции организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (суточная, сезонная активность).
Синэкология (от греч. sýn – вместе), или экология сообществ, изучает ассоциации разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, их формирование и развитие, структуру, динамику, взаимодействие с физико-химическими факторами среды, энергетику, продуктивность и др.
Демэкология (от греч. demos – народ) изучает естественные группировки особей одного вида, т. е. популяции; выясняет условия формирования популяций и внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношения, структуру, динамику, численность популяции (В. В. Маврищев и др., 2010).
Аутэкология, синэкология и демэкология представляют собой экологию природных систем. Основным содержанием современной биоэкологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и с внешней средой на популяционно-биоценотическом уровне.
Однако понятие «экология» не ограничивается только биологической направленностью и связано с небиологическими науками – географией, геологией, физикой, химией, медициной, техникой и другими разделами научных знаний. Экологические науки, согласно Н. Ф. Реймерсу, состоят из фундаментальных и прикладных наук, которые тесно взаимодействуют друг с другом.
Современная экология делится на ряд научных отраслей и дисциплин (рис. 1.1). Различают следующие разделы экологии: геохимический, глобальный, животных, инженерный, космический, ландшафтный, микроорганизмов, насекомых, популяционный, пресных вод, радиационный, растений, сельскохозяйственный, факторальный, человека, социальный. (Н. Ф. Реймерс, 1994).
В современной экологии изучаются проблемы прямого и побочного влияния производственной деятельности:
• на тепловой режим планеты;
• фон радиоактивности;
• загрязнение Мирового океана;
• уменьшение запасов невозобновляемых энергетических ресурсов;
• поступление в биосферу непереработанных биохимических и токсичных отходов;
• экологическое состояние урбанизированных ландшафтов;
• физическое, психическое здоровье, генофонд нации.
Данные вопросы решаются совместно и тесно связаны с другими естественными и гуманитарными науками: экономикой, социологией, географией, технологией, демографией. Экология имеет следующее научные направления: экофизиологию, экогенетику, экоморфологию, экобиохимию и т. д. Это значит, что происходит экологизация мышления.
К основным экологическим проблемам современности относятся:
• изменение климата;
• истончение озонового слоя;
• нехватка пресной воды;
• загрязнение подземных вод;
• пагубное влияние пестицидов на здоровье;
• кислотные осадки;
• сокращение биологического разнообразия;
• уничтожение токсических отходов;
• накопление в биосфере ксенобиотиков.
Кроме основных экологических проблем, следует еще указать на глобальные задачи современности в целом:
• предотвращение ядерной войны и аварий на АЭС;
• демографическую стабилизацию;
• энергетическую проблему;
• продовольственную;
• урбанизацию и ее последствия.
Экология на современном этапе занимает центральное место при изучении биосферы. Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать обобщенное определение экологии как науки. Экология – это наука, которая изучает взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой, а также структуру и организацию биологических систем различного уровня (популяции, биоценозы, экосистемы) (В. В. Маврищев и др., 2010). Знание экологии должно способствовать формированию экологического мышления человечества как необходимого условия его выживания и развития.
Рис. 1.1. Структура современной экологии
Глава 2. Экологические факторы среды
2.1. Понятие об экологических факторах среды
Организмы не могут существовать изолировано от окружающей среды. Экологическими элементами называются все компоненты природной среды, а именно:
• вода, атмосферный воздух, почва, пища, растительный и животный мир, горные породы и т. д.;
• природные условия, а также результаты антропогенной деятельности: загрязняющие вещества, измененные природные условия, ранее не существовавшие в природе, но созданные человеком.
К экологическим факторам относятся только те элементы, изменение которых вызывает ответную реакцию определенного организма или определенной группы организмов вплоть до исчезновения их по каким-либо причинам из среды обитания. Экологические факторы не равнозначны в своем влиянии на организмы и вещества. Важнейшими из них являются солнечная энергия и климатические факторы.
Среда любого организма слагается из многочисленных элементов органической природы, а также из объектов, связанных с хозяйственной деятельностью человека. Условия среды складываются из разнообразных элементов. Те факторы среды, которые оказывают прямое или косвенное воздействие на организмы, называются экологическими.
Для разных организмов количественные пределы фактора, при которых они могут существовать, неодинаковы (температура, влажность, химический состав компонентов среды обитания и др.).
Окружающая среда влияет на жизнедеятельность организмов, так как для любого из них она слагается из многочисленных элементов органической и неорганической природы, а также факторов хозяйственной деятельности человека. Есть экологические факторы, без которых жизнь растений и животных невозможна (например, для зеленых растений это солнечная энергия, вода, углекислый газ, минеральные соли). В процессе жизнедеятельности растения и животные приспособились к определенным условиям среды. Одни виды приспособились к жизни в условиях жаркого сухого климата (саксаул, баобаб, тушканчик), другие живут в холодном (карликовая береза, песец, северный олень), третьи – в жарком и влажном (бамбук, кокосовая пальма, орхидея) климате.
Все экологические факторы делятся на следующие группы:
• абиотические (влияние элементов неживой природы);
• биотические (влияние живых организмов);
• антропогенные (влияние человека).
Экологические факторы имеют разную природу и специфику воздействия на организм, т. е. каждый фактор неодинаково влияет на разные его функции.
2.2. Абиотические факторы
Абиотические факторы – это компоненты и явления неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Главную роль среди них играют климатические, эдафизические, орографические, гидрографические, химические и пирогенные.
К климатическим факторам относятся:
• спектральный состав солнечной радиации;
• физические и химическиие свойства атмосферного воздуха;
• климат, погода, акклиматизация;
• тепло, вода, ветер;
к эдафизическим -
• составные компоненты почвы;
• физико-климатические свойства почвы;
• биогеохимические эндемия и радиоактивность;
• загрязнение и самоочищение почвы;
• почва как источник распространения инфекционных заболеваний, глистных инвазий;
к орографическим –
• рельеф местности;
• высота над уровнем моря;
• вертикальная зональность;
• экспозиция и крутизна склона;
• горы, ущелья каньоны, низины;
к гидрографическим – факторы водной среды:
• органолептические;
• физико-химические;
• показатели загрязнения;
• источники водоснабжения;
• гидробионты;
к химическим –
• газовый состав атмосферного воздуха;
• солевой состав гидросферы;
к пирогенным – природные пожары:
• лесные;
• торфяные;
• степные;
• полевые;
• тундровые.
2.2.1. Климатические факторы
Многолетний режим погоды определяет главные различия в жизненных формах растений (трав, кустарников, деревьев).
Свет является наиболее действенным климатическим фактором на Земле. Без него невозможен фотосинтез, а без органической пищи и кислорода невозможна жизнь консументов.
Солнечный свет, или солнечное излучение, проходящее через атмосферу и достигающее поверхности Земли, представляет собой электромагнитные волны, длина которых заключена в следующих диапазонах:
• инфракрасные лучи – 2800–760 нм;
• видимые лучи – 760–400 нм;
• ультрафиолетовые лучи – 400–200 нм.
Важную роль играет длина световой волны, воспринимаемая органами зрения животных. Животные, наделенные цветным зрением, лучше ориентируются в окружающей среде (опасность, поиск пищи, перемещение и т. д.).
У растений в процессе эволюции выработалось разное отношение к освещенности. В связи с этим все растения делят на три большие группы: светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые.
Избирательная чувствительность к освещенности позволяет растениям максимально (по вертикали) использовать жизненное пространство путем формирования ярусности и образовывать свой внешний облик – жизненную форму. Под влиянием одностороннего освещения изменяется направление роста органов растения, что получило название фототропизма (от греч. tropos – поворот). Различают положительный и отрицательный фототропизм, а также диатропизм.
Подвижные животные под действием света проявляют двигательную реакцию – таксис (от греч. taxis – расположение). Способность двигаться в сторону света называется положительным фототаксисом, избегать его – отрицательным. Например, ночные насекомые слетаются на свет, а тараканы прячутся.
Для животных свет как экологический фактор имеет меньшее значение, чем для растений. Различают животных, ведущих дневной, ночной и сумеречный образ жизни.
Каждому пункту земной поверхности свойствен свой световой ритм, который отражается в биологии растений, животных и микроорганизмов. Реакция организмов на суточный ритм солнечной энергии, т. е. на соотношение светлого и темного периодов суток, получило название фотопериодизма. По этому признаку различают три группы растений:
• растения короткого дня;
• растения длительного дня;
• индифферентные растения.
В области экватора продолжительность дня и ночи постоянная. При удалении от экватора летом день удлиняется, а ночь становится короче, зимой – наоборот. В связи с этим различают растения короткого и длинного дня. Например, кукуруза в Украине и Молдове успешно созревает на зерно, а на севере дает только зеленую массу.
Температура является важнейшим абиотическим фактором. Распространение жизни на Земле ограничено областью несколько ниже 0 °С и до 50 °С. В геотермальных источниках суши ряд видов цианобактерий обитают при температурах 95–98 °С. В глубокотермальных источниках Мирового океана отдельные виды археобактерий не только выживают, но и размножаются при температуре до 121 °С. Критические температуры для растений и животных могут широко варьироваться. Например, если рептилии, живущие в пустыне, легко переносят жару 45 °С, то большинство морских беспозвоночных гибнут при температуре выше 30–32 °С. Следовательно, если температура живой клетки опускается ниже точки замерзания воды, то образовавшиеся кристаллы льда ведут к ее гибели. При высокой температуре (более 50 °С) происходит денатурация белков, что тоже ведет к гибели клетки.
Организмы, не способные регулировать собственную температуру, называются пойкилотермными. Это растения, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы, рептилии и др. Птицы и млекопитающие, способные к активному регулированию температуры тела независимо от температуры окружающей среды, называются гомойотермными. Благодаря этому свойству многие животные способны жить и размножаться при температуре ниже 0 °С – например, белый медведь, северный олень, пингвины и др., имеющие приспособления к таким условиям существования (шерстный покров, плотное оперение, толстый слой жировой ткани).
Гетеротермия – частный случай гомойотермии. Она характерна для животных, впадающих в спячку или оцепенение в неблагоприятный период года. Температура у этих животных (ежей, сусликов, летучих мышей, стрижей и др.) заметно снижается за счет замедления обмена веществ, а в период функциональной активности они обладают постоянной температурой тела.
Вода – основа живой материи. Она является главным экологическим фактором, т. е. основным условием существования всего живого на Земле. Образно говоря, вода – это элексир жизни, «оживляющий» поверхность планеты, «маховое колесо» климата и погоды.
Человек почти на 65–70 % состоит из воды. Для поддержания водного баланса ему необходимо 2 л воды, или 30 мл на 1 кг массы тела в сутки (с той водой, которая содержится в пищевых продуктах: соках, супах, овощах, фруктах). Наши ткани содержат около 15 % эндогенной жидкости от массы тела, которая образуется при сжигании питательных веществ кислородом, строительстве новых молекул, их перестройке.
Перераспределение жидкости идет через желудочно-кишечный тракт:
• около 1,5 л воды человек глотает со слюной;
• примерно 1,5 л желудок дает в виде желудочного сока;
• в среднем 3,0 л выделяет тонкий кишечник;
• 0,7 л панкреотического сока выделяет поджелудочная железа;
• 0,5 л желчи образует печень.
Через почки, кожу, легкие выделяется около 2 л воды. Именно такое количество воды человек должен получить извне – в чистом виде или с различной пищей.
Физиологическое потребление человеком питьевой воды может изменяться в зависимости:
• от условий внешней среды;
• характера трудовой деятельности.
Потеря животными 10–20 % воды от массы тела приводит к их гибели. Из наземных животных больше всего воды в сутки требуется слону – около 90 л. Он на 70 % состоит из воды. Животные, обитающие в водной среде, получают ее через наружные покровы. Насекомые, молюски, черви, лягушки адсорбируют влагу из воздуха. Для многих животных источник воды – пища, жидкий корм.