Основи екології

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

МИКОЛАЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В. О. СУХОМЛИНСЬКОГО

ОСНОВИ ЕКОЛОГІЇ

Курс лекцій для студентів неекологічних спеціальностей

А.О.Руденко

Миколаїв 2011

Курс лекцій «Основи екології» складений відповідно до програми курсу, рекомендованої МОН України як нормативну для всіх неекологічних спеціальностей вищих закладів освіти і робочої програми з «Основ екології». Курс лекцій призначений для студентів неекологічних спеціальностей інститутів та факультетів Миколаївського національного університету імені В.О.Сухомлинського.

Курс лекцій складений кандидатом медичних наук, доцентом кафедри фізіології та біохімії Руденком Анатолієм Олександровичем.

Рецензенти:

Цебржинський О.І., доктор біологічних наук, професор, Миколаївський національний університет імені В.О.Сухомлинського.

Зюзін В.О., доктор медичних наук, професор, Чорноморський державний університет імені Петра Могили.

Курс лекцій розглянутий і схвалений кафедрою фізіології та біохімії Миколаївського національного університету імені В.О.Сухомлинського.

Протокол засідання кафедри № від

Курс лекцій «Основи екології» схвалено і рекомендовано до друку вченою радою Миколаївського національного університету імені В.О.Сухомлинського.

Протокол № від

Курс лекцій призначений для студентів неекологічних спеціальностей, які вивчають загальноосвітній курс «Основи екології». Викладені основні положення та концепції основ екології.

Теми курсу складають три змістовних модуля: «Основи теоретичної екології», «Прикладні аспекти екології», «Стратегія і тактика збереження та стабільного розвитку життя на Землі».

Курс лекцій є складовою частиною комплекту навчально-методичних документів з вивчення курсу «Основи екології».

Курс лекцій буде корисним посібником при вивченні «Основ екології» і сприятиме формуванню у студентів екологічного мислення та екологічної свідомості.

Змістовний модуль 1. «Основи теоретичної екології»

Тема: Вступ, визначення, становлення екології як науки, завдання, методи дослідження

Мета теми: Досягнути розуміння студентами задач екологічної науки, сфер вивчення різними блоками, основних напрямів і методів екологічних досліджень.

Контрольні питання теми.

1. Вступ.

2. Екологія, визначення та предмет дослідження.

3. Виникнення, становлення та розвиток екології як науки.

4. Завдання екологічної науки.

5. Біоекологія.

6. Техноекологія.

7. Агроекологія.

8. Екологія природних сфер.

9. Соціальна екологія.

10. Аутекологія.

11. Демекологія.

12. Синекологія.

13. Основні напрями екологічних досліджень.

14. Методи екологічних досліджень.

Вступ. Питання захисту довкілля охопило у всій світовій культурі різні сторони наукової і громадської діяльності. Причиною цього стала тривога за майбутнє людства. ХХ століття закінчилося розростанням глобальної кризи цивілізації в усіх напрямах: соціальному, духовному, демографічному, економічному, екологічному. Науково-технічний прогрес, швидкість якого на декілька порядків перевищує швидкість адаптування організмів до змінених людиною умов існування, породжує нові джерела збурення, тиску на біосферу, її забруднення, знищення природних ресурсів, катастрофічне зменшення біорозманіття. Незважаючи на це керована силами і законами ринку економіка активно втілює в життя все потужніші технології, які все більше руйнують довкілля. Світовий валовий продукт людства за останні 100 років зріс в 330 разів, ресурсоспоживання - майже в 100 разів.

Цивілізація виникла в середині біосфери, є її частиною і існувати без неї не зможе. Незважаючи на це, люди продовжують вести спосіб життя, що суперечить законам екології, сподіваючись на свою технічну могутність.

Особливістю сьогодення є те, що в екологічній загрозі людству нині домінує глобальний фактор. Тому вважати, що можна створити необхідні екологічні умови для існування окремих груп людей, чи окремих країн, є ілюзією. Трансграничні забруднення та локальні поліпшення стану довкілля за рахунок руйнування екосистем інших регіонів лише призведуть до подальшої деградації глобальної екосистеми та посилення небезпеки для всієї планети.

Подолання численних локальних, регіональних та глобальних кризових екологічних ситуацій потребують не тільки нової ідеології життя, а й нової системи знань, формування у людей екологічного мислення та екологічної свідомості. Мислення фахівців найрізноманітніших професій має стати екологічним. Визначення, предмет дослідження. Вперше термін «екологія» був запропонований німецьким біологом Е.Геккелем, який вперше використав цей термін в передмові до книги «Загальна морфологія» в 1866 році. Термін «екологія» походить від грецького ойкос, що означає дім, житло, сховище та логос - вчення. По визначенню Е Геккеля екологія - це пізнання економіки природи, одночасне дослідження всіх взаємовідносин живого з органічними і неорганічними компонентами середовища. Це визначення нової галузі науки про життя таке влучне, що вже 1,5 століття воно в повній мірі зберігає своє значення. Е.Геккель визначав екологію як баланс між організмом та середовищем, предметом якого є зв'язки живих істот як з неорганічною так і з органічною природою.

Екологія вивчає умови існування живих організмів, їхній зв'язок та їхню взаємодію з довкіллям. Екологія виникла як суто біологічна наука, але в наш час трансформувалася і стала наукою про структуру та функцію природи в цілому, наукою про біосферу, наукою, що вивчає місце людини на нашій планеті, наукою про взаємозв'язки всього живого на нашій планеті між собою та довкіллям.

Сучасне визначення екології - це комплекс наук про будову, функціонування, взаємозв'язки багатокомпонентних і багаторівневих систем у Природі й суспільстві та засоби кореляції взаємного впливу техносфери і біосфери з метою збереження біосфери та людства.

Виникнення, становлення та розвиток екології як науки.

Як і більшість наук, екологія має тривалу передісторію. Виділившись в системі інших природничих наук, екологія продовжує розвиватись, збагачуючи свій зміст і розширюючи завдання.

Нагромадження відомостей про спосіб життя, залежність від зовнішніх умов, характер розподілу рослин і тварин почалося дуже давно. Аристотель (384 - 322 рр. до н.е.) описує понад 500 видів відомих йому тварин і розповідає про їхню поведінку в залежності від умов. Його учень «батько ботаніки» Теофраст Ерезійський наводить відомості про своєрідність рослин , що зростають у різних умовах.

В період середньовіччя панувало богослов'я і схоластика. Занепад всіх наук в ці часи не минув і вивчення природи. І тільки в епоху Відродження великі географічні відкриття, колонізація нових земель стали поштовхом до нового вивчення природи і систематики знань. Перші систематики (Чезальпіні, Д.Рей, Ж.Турнефор) відомості про поведінку, особливості звичок, спосіб життя тварин, якими супроводжувався опис їхньої будови, називали «Історією життя тварин».

У 17 - 18 ст. екологічні відомості становили нерідко значну частину праць, присвячених окремим групам живих організмів. Проблему впливу зовнішніх умов на будову тварин було порушено у другій половині 18 ст. в працях французького природодослідника Ж.Бюффона, який вважав, що перетворення одного виду на інший є вплив таких зовнішніх чинників як «температура клімату, якість їжі та гніт одомашнювання».

Автор першого еволюційного вчення Жан-Батіст Ламарк (1744 - 1829) вважав, що вплив «зовнішніх обставин» - одна з найважливіших причин пристосувальних змін організмів, еволюції тварин і рослин.

Дальшому розвитку екологічного мислення сприяла поява на початку 19 століття біогеографії. Праці Олександра Гумбольдта, зокрема робота «Думки про фізіономіку рослин» (1806), визначили новий екологічний напрям у географії рослин. З'явилися перші спеціальні роботи, присвячені впливу кліматичних чинників на поширення і біологію тварин (німецький зоолог К.Глогер, датчанин Т. Фабер, К.Бергман і інші).

Необхідність розвитку особливого напрямку в зоології, основним змістом якого мусить бути всебічне вивчення і пояснення життя тварин, їхніх складних взаємовідносин з навколишнім світом, пропагував російський вчений, професор Московського університету К.Ф.Рульє (1852). Він підкреслював, що в зоології поряд з класифікацією окремих організмів потрібно розглядати «явища способу життя». При цьому слід розрізняти явища життя особини і явища життя загального.

Науковою основою екології стало вчення Ч.Дарвіна про боротьбу організмів за існування. В це поняття він включав не тільки конкуренцію організмів за ресурси, але й їхні реакції на різні чинники навколишнього середовища, за допомогою яких вони пристосовуються до існування в конкретних умовах.

У другій половині 19 ст. було зроблено низку важливих узагальнень (датський ботанік Е.Вармінг, А.М.Бекетов, німецький мікробіолог К.Мебіус, Г.Ф.Морозов, В.М.Сукачов, В.В.Стачинський). Наприкінці 19 - у першій половині 20 ст. вийшло немало монографій, які сформували теоретичну основу сучасної екології. Це роботи відомих біологів С.Форбс - 1887, Ч.Давенпорт - 1930, Ч.Адамс - 1913, С.Петерсен - 1918, В.І.Вернадський - 1926 та інші.

Бурхливо розвивалася екологія в 20 - 30 роках ХХ століття, коли Ч.Елтоном були сформульовані основні завдання вивчення популяцій та угрупувань, В.Вольтером і А.Лотке запропоновані математичні моделі росту чисельності популяцій та їх взаємодії, Г.Ф.Гаузе проведені лабораторні дослідження для перевірки цих моделей.

З початку 40-х років в екології виник принципово новий підхід у досліджені природних екосистем. У 1935 році англійський вчений А.Тенслі запропонував поняття екосистема, а у 1940 р. В.М.Сукачов обґрунтував уявлення про біогеоценоз. У цих поняттях знайшла відображення ідея про єдність сукупності організмів з абіотичним оточенням, про закономірності, що лежать в основі зв'язку всього угрупування й навколишнього неорганічного середовища - про кругообіг речовин і перетворення енергії.

Розвиток екосистемного аналізу привів до відродження на новій екологічній основі вчення про біосферу. Належить воно одному з найвизначніших природодослідників ХХ століття В.І.Вернадському. Біосфера постала як глобальна екосистема, функціонування і стабільність якої ґрунтуються на екологічних законах забезпечення балансу речовини і енергії.

Середина та друга половини 20 століття ознаменувалися виникненням широкого фронту екологічних досліджень, у яких помітну роль відіграють й екологи України. Перший науковий центр екологічних досліджень був створений в Україні у 1930 році - сектор екології при інституті зоології та ботаніки Харківського державного університету. Праця В.В.Стачинського «До розуміння біоценозу» (1933) стала класичною в області вивчення зв'язків між організмами в ценотичних системах.

Світове визнання отримали дослідження українських вчених Ф.А.Гриня, І.Г.Підоплічка, С.М.Стойка, П.С.Погребняка та інших. У сучасний період в Україні широке визнання отримали екологічні роботи академіків М.А.Голубця, К.М.Ситника, Ю.Р.Шеляг-Сосунка. Екологи України зробили вагомий внесок у розробку методів оцінки рівня радіоактивного забруднення великих територій та обґрунтування заходів зниження екологічних збитків від наслідків аварії на Чорнобильській АЕС. Активні розробки складних екологічних проблем ведуться в головних наукових центрах Києва, Львова, Дніпропетровська, в інституті екології Карпат.

Сучасний стан, структура, зв'язок з іншими науками

З погляду вчених сучасна екологія 21 століття - це одна з головних фундаментальних комплексних наук про виживання на планеті Земля. Завдяки проникненню проблем і ідей екології в інші науки і сфери діяльності людини широкого розвитку набуло явище екологізації, завданням якого стало відвернення глобальної екологічної кризи завдяки об'єднанню зусиль вчених і практиків усіх галузей діяльності. Екологія перетворилась на систему наук про Землю та її оточення, в центрі уваги якої залишаються живі організми, людина.

Впродовж останніх десятиліть в усіх галузях людської діяльності, де йдуть процеси екологізації, сформувалися близько 90 напрямів і піднапрямків (розділів і підрозділів) сучасної екології. Всі вони умовно об'єднані в чотири блоки: біоекологія, геоекологія, техноекологія та соціоекологія.

Особливості окремих блоків сучасної екології.

Біоєкологія- основа всієї сучасної екології. ЇЇ головна частина - екологія природних біологічних систем. Вивчає специфіку взаємовідносин організмів і середовища, їх існування в різних географічних зонах (суша, океан, тундра, тайга, тропіки, пустелі).

Екологія природних сфер досліджує екологічні процеси, що відбуваються на територіях, де вплив людини ще не відіграє вирішальної ролі у функціонуванні екосистем.

Техноекологія - найбільший за обсягом блок прикладних екологічних напрямів, що вивчає вплив різних видів промислового виробництва на навколишнє середовище і живі організми, на функціонування екосистем.

Агроекологія - також один із головних розділів сучасної прикладної екології. Вивчає всі сучасні екологічні проблеми, пов'язані з агропромисловим виробництвом та шляхи екологізації всіх галузей сільського господарства.

Соціальна екологія - розділ сучасної екології, що вивчає роль людини в довкіллі не як біологічного виду, а як суспільної істоти, відмінності цієї ролі від ролі інших живих організмів. Соціальна екологія займається формуванням екологічної свідомості та екологічної культури за допомогою екологічної освіти та виховання, формуванням основ локальної, регіональної та глобальної екологічної політики.

Серед всіх підрозділів сучасної екології відокремлюють «загальну екологію», головною складовою якої є теоретична екологія, яка встановлює загальні закони функціонування екосистем. Сучасна екологія має чотири взаємопов'язані розділи, які логічно виходять один з одного:

- Факторіальна екологія, або аутекологія, що вивчає фактори середовища та їхній вплив на живі організми.

- Демекологія, що вивчає популяції та їхній взаємозв'язок між собою і з довкіллям.

- Синекологія - розглядає закономірності співіснування організмів, їх угрупувань у зв'язку одне з одним і умовами існування.

Кожен із напрямів екологічних наук має свою специфіку, своє коло вирішуваних питань, свої методи й масштаби досліджень, але завдання у всіх одне: визначити характер і обсяг забруднення довкілля, пов'язаного з конкретним видом діяльності людини, ступінь його небезпечності, можливості нейтралізації, шляхи екологізації виробництва, економії та відтворення природних ресурсів.

Основні напрямки екологічних досліджень такі:

1. Виявлення основних типів екосистем та ландшафтних одиниць, оцінюючи особливості їх складу та функціонування, щорічну та багаторічну динаміку, що є основою для здійснення раціонального влаштування великих та малих територій.

2. Розробка методів збору інформації та її аналізу й отримання інтегральних параметрів, що характеризують стан біосфери.

3. Надання оцінки рівню стійкості біосфери та окремих екосистем щодо зовнішніх впливів, їх здатності повернення в початковий стан після тих чи інших змін та вироблення рекомендацій щодо розміру та об'єму антропогенних змін біосфери.

4. Розробка пропозицій щодо створення заповідних та охоронних територій.

5. Розробка пропозицій до законодавства з питань експлуатації природних ресурсів та охорони природного середовища.

Методи екологічних досліджень

Екологія - комплексна наука. Вона використовує широкий арсенал різноманітних методів, які можна поділити на 3 основні групи:

1. Методи за допомогою яких збирається інформація про стан екологічних об'єктів: рослин, тварин, мікроорганізмів, екосистем, біосфери.

2. Методи обробки отриманої інформації та узагальнення.

3. Методи інтерпретації отриманих фактичних матеріалів.

Для отримання інформації про стан об'єктів часто застосовується спостереження, відмінною рисою якого є невтручання спостерігача в процеси, що відбуваються. Спостереження є самим давнім методом отримання інформації. В часи, коли спостереження велось тільки за допомогою органів відчуття в отримані результати вносилось досить багато суб'єктивного, так як кожна людина могла по різному сприймати і оцінювати одні і ті ж явища, предмети. З розвитком фізики, хімії і других наук метод спостереження технічно озброївся і у сучасній екології спостереження за допомогою приладів являється одним з основних методів дослідження.

Для вивчення властивостей об'єктів природного середовища (повітря, вода, грунт) застосовуються досить різноманітні прилади та устаткування. Для вивчення властивостей рослинного та тваринного світу широко використовуються фізіологічні, біохімічні, морфологічні методи.

Особливістю сучасних екологічних спостережень за допомогою приладів є їхня комплексність та довгостроковість, коли на одній і тій же ділянці екосистеми спостереження можна вести протягом великого відрізку часу і по декількох показниках. Окрім комплексних спостережень на стаціонарах може проводитися глобальний моніторинг екосистем і всієї біосфери.

Екологія широко застосовує також метод експерименту, коли до екосистеми свідомо вноситься якась одна зміна і через деякий час зіставляються результати спостережень на експериментальній та контрольній ділянках екосистеми.

Більш придатні в екології багатофакторні експерименти. Екологія широко використовує результати стихійних експериментів, що «ставить» сама природа, або ж вони є наслідком виробничої діяльності людини (виверження вулканів, повені, будівництво водосховищ, вирубування лісів, аварія на Чорнобильській АЕС). Це все , так звані, природні експерименти.

В екології часто використовуються і лабораторні експерименти. Лабораторний експеримент дозволяє вивчити характер дії і впливу окремих ізольованих факторів, що також має велике значення в розумінні процесів, що відбуваються в екосистемах при дії цих факторів.

Певним джерелом фактів може бути службова інформація та літературні дані. Використання літературних даних цілком допустиме з урахуванням репутації автора та з посиланням на нього. Складніше буває з використанням службової інформації (вона нерідко «захищена», часто вона буває упереджено викривлена для покращання показників.

У зв'язку зі складністю екологічних систем щодо їх вивчення часто використовують моделювання. Як модель може виступати матеріальна копія об'єкта екології, до певної міри спрощена. Наприклад, акваріум можна розглядати як модель ставка. На таких моделях можна отримати немало корисної інформації, але реальні екосистеми - це багатофакторні комплексні об'єкти, які неможливо в повній мірі відтворити на моделях.

Інший клас матеріальних моделей складають реальні об'єкти природи, спеціально виділені для вивчення в природному середовищу.

Більш широко в екології використовують абстрактні моделі. Це можуть бути вербальні, графічні , математичні моделі.

Тема: Біосфера

Мета теми: Досягнути розуміння студентами поняття «Біосфера;, потоку енергіі в ній і ефективності перенесення, біогеохімічних циклів, факторів навколишнього середовища і принципів їх дії, місця людини в Біосфері.

Контрольні питання по темі.

1. Біосфера, поняття, структура її, основна відмінність від других сфер Землі. Шість типів речовин, з яких сформована біосфера.

2. Газова частина Біосфери, її роль.

3. Гідросфера, її значення в Біосфері.

4. Літосфера, грунт і його значення.

5. Джерела потоку енергії на Земній Кулі.

6. Сонячна енергія, потік енергії в Біосфері, ефективність перенесення енергії в живій речовині.

7. Біогенна міграція хімічних елементів, біогеохімічні цикли, їх значення в колообігу біогенних елементів.

8. Біогенні хімічні елементи.

9. Основні типи міграції в межах геосфер, їх значення.

10. Поняття «середовище», основні середовища живих організмів.

11. Екологічні чинники, види їх.

12. Абіотичні чинники, дія їх на живі організми: зона оптимуму, зона песимуму, діапазон стійкості. Закон обмежувальних чинників.

13. Температура, розподіл тепла на Землі. Види температурних змін у середовищі, критерії для оцінки температурного режиму.

14. Вода, значення для Біосфери і для живих організмів.

15. Світло, значення для рослин і тварин.

16. Хімічні чинники.

17. Комплексні чинники: кліматичні, орографічні (рельєф), елфічні (грунтові)

18. Біотичні чинники: фітогенні, мікробогенні, зоогенні, антропогенні.

19. Місце людини в Біосфері.

Німецький вчений Е.Зюсс у 1875 році виділив в межах Земної Кулі декілька структурних частин - оболонок, назвавши їх геосферами. Це атмосфера, гідросфера і літосфера. Частина Землі, де існує життя, отримала назву «Біосфера».

Біосфера (грец. біос - життя, сфера - оболонка) - оболонка Землі, в якій існує життя. Більшість сучасних екологів розуміють біосферу як об'єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв'язку з фізичним середовищем Землі.

Структура Біосфери. Об'єм біосфери становить 0,4% об'єму планети. Важливою особливістю біосфери є її злитність з іншими геосферами Землі. Біосфера розміщена в межах атмосфери, гідросфери та частини літосфери. Загальна протяжність біосфери за радіусом Землі складає близько 40 км. Біосферу складають:

* нижня частина атмосфери (від поверхні Землі до озонового шару, за В.І.Вернадським - променева межа - до висоти 25 - 30 км);

* вся гідросфера ( до найбільшої глибини 11030 м - Маріанська улоговина в Тихому океані);

* верхня частина літосфери, де вода перебуває в рідкому стані ( за В.І.Вернадським - термічна межа, за різними авторами від 5 до 25 км).

Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших сфер Землі, зосереджена в порівняно невеликому прошарку, який отримав назву «біострома». Біострома лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водойм. У цій зоні знаходиться до 98% всієї живої речовини планети.

Усі ці частини геосфер Землі об'єднуються в єдину оболонку життя живими організмами, які не лише існують в біосфері а й є її творцями. В.І.Вернадський писав: «Біосферу можна розглядати як простір над земною корою, зайнятий «трансформаторами», що перетворюють космічне випромінювання на корисну земну енергію - електричну, механічну, хімічну, термічну та інші».

Наш співвітчизник В.І.Вернадський був у числі перших, хто сприймав Землю як єдиний живий організм, в якому зовсім різні, на перший погляд, процеси у трьох зовнішніх сферах Землі - літосфері, гідросфері й атмосфері - тісно пов'язані між собою.

Всесвітню славу вченому принесли створені ним вчення про біосферу та ноосферу. Вернадський одним із перших усвідомив величезний перетворюючий вплив живих організмів на всі три зовнішні оболонки Землі, тісну взаємодію і взаємозалежність усіх форм життя. Це дало йому поштовх до створення всеохоплюючої теорії біосфери, тобто тієї частини зовнішніх оболонок нашої планети, яка безпосередньо пов'язана з існуванням життя на Землі.

В.І.Вернадський (1934) дав таке визначення біосфери: «Біосфера являє собою оболонку життя - область існування живої речовини.»

В.І.Вернадський виділив шість головних типів речовин, із яких сформована біосфера:

1. Жива речовина - сукупність усіх існуючих на Землі рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів;

2. Біогенна речовина - продукт життєдіяльності організмів (торф, крейда, горючі сланці, вугілля і т.п.).

3.Нежива (косна) речовина - в утворені якої живі організми не брали участі (гірські породи та мінерали);

4. Біокосна речовина - продукт взаємодії живої речовини і неживої матерії (грунт);

5. Радіоактивна речовина - радіонукліди калія, урану, торію, які зумовлюють існування радіогенної теплоти, та продукти їх розпаду;

6. Космічна речовина - космічний пил та метеорити.

Розглянемо складові частини біосфери.

Газова частина біосфери представлена атмосферою. Основу атмосфери складає азот (78% за об'ємом), у значній кількості представлений кисень (20,95%), вуглекислий газ (до 0,04%) та до 10 інертних газів загальною кількістю до 1%. В атмосфері завжди присутня водяна пара, основна маса якої утворюється при випаровуванні з поверхні океану та суходолу. З висотою газовий склад атмосфери майже не змінюється, тільки помітно зменшується кількість водяної пари.

В екваторіальних широтах атмосфера нагрівається більше, ніж у високих широтах, що призводить до глобального переміщення повітряних мас, які в свою чергу визначають клімат.

Для біосфери важливий озоновий шар атмосфери, що розташований на висоті 20-25 км. Озон - особлива форма кисню - О³ . Шар озону порівняно малопотужний ( при нормальному тиску його товщина не перевищувала б 3 мм), але він виконує важливу для життя функцію - перехоплює ультрафіолетові промені, які дуже небезпечні для живих організмів тим, що викликають порушення ДНК та призводять до появи мутацій.

Встановлено, що озон активно руйнується молекулярним хлором, який є у фреонах. За останні 25 років втрати озону склали до 3%. в результаті чого на певних ділянках озоновий шар втратив цілісність і утворилися «озонові дірки».

За високої розріженості атмосфери живі організми не можуть знаходитись в ній постійно. Для наземних організмів корисними властивостями атмосфери є її прозорість щодо сонячних променів та газовий склад.

Гідросфера сформувалася в основному з води. Вода з'явилась на планеті близько 4 млрд. років тому за рахунок диференціації речовин. В еволюції гідросфери відбулися два великих переломних моменти. Перший пов'язаний з виходом рослин на суходіл, другий викликаний вирубкою лісів та розорюванням грунтів.

Із загальної кількості води 96,5% припадає на морську. На материках зосереджено всього 3,5% загальних запасів води. Прісної води нараховується 35 млн кубічних кілометрів, із них 30 млн. м³ води утримується в льодовиках.

Площа світового океану перевищує 70% поверхні планети, Вода океанів і морів солона, середня солоність 35 г/л. Води світового океану мають високу теплоємність. Світовий океан поглинає 80% всієї сонячної радіації, що досягає поверхні планети. Основна частина тепла поглинається в тропіках. У помірних та в крайніх північних і південних широтах, навпаки, йде віддача тепла в атмосферу. Океан - основний стабілізатор середньої температури Земної Кулі. За відсутності світового океану на континентах при зміні сезонів виникали б досить різкі коливання температури. Світовий океан виконує і іншу роботу в біосфері: у холодних областях вода поглинає з атмосфери вуглекислий газ, а в теплих віддає.

Моря та прісні водойми є середовищем життя багатьох видів організмів. Практично вся товща гідросфери пронизана життям.

Континентальні води в основному прісні. Їхня солоність не перевищує 1-2 г/л солей. На континенті гідросфера представлена річками та озерами (з будівництвом гідроелектростанцій з'явилось багато водосховищ). У ріки суходолу і водосховища стікає приблизно половина води, що випадає у вигляді опадів.

Літосфера утворена гірськими породами. На виходах гірських порід можуть жити тільки деякі організми - лишайники, водорослі. Для життя необхідний грунт, що утворюється як суміш мінеральних речовин, що виникають при руйнуванні гірської породи та органічних речовин - продуктів життєдіяльності та відмерлих решток живих організмів. Для формування грунту особливо важливі мікроорганізми та корені рослин.

Поняття про грунт як біокосне тіло природи було вперше зформульоване В.В.Докучаєвим. Він підкреслював, що грунти виникають у результаті тісної взаємодії між водою, повітрям, гірськими породами та живими організмами. Грунт - головне середовище життя наземних рослин і важлива структурна частина біосфери. Серед інших параметрів важливе значення має вологість грунту. Вона визначається співвідношенням кількості опадів та випаровування. При кількості опадів менше 250 мм/рік формуються пустелі, при більшій кількості - савани, степи, лісостепи і при 1250 мм за рік і більше - вологі ліси та болота.

Всі оболонки Земної Кулі активно взаємодіють між собою, обмінюючись речовиною та енергією.

Потік енергії на Земній Кулі

Енергія - це загальна кількісна міра руху та взаємодії усіх видів матерії. Відповідно до закону збереження енергії вона не зникає та не виникає з нічого, а тільки переходить з однієї форми до іншої.

Потік енергії на Земній Кулі має три джерела.

1. Кінетична енергія оберту Землі та її супутника Місяця як космічних тіл. Вона проявляється в морських припливах. Енергія, яку живі організми не можуть використовувати для своєї життєдіяльності.

2. Енергія земних надр, що підтримується ядерним розпадом урану та торію. Ця енергія виділяється у вигляді геотермального тепла і також не може використовуватися живими організмами для своєї життєдіяльності.

3. Сонячна енергія, з допомогою якої здійснюється життєдіяльність автотрофних організмів. На сонці енергія виникає в результаті ядерних перетворень. Головне з них - це перетворення водню в гелій через дейтерій. Променева енергія сонця проявляється в амплітуді довжини хвиль від 0,3 до 2,0мкм.

Приток сонячної енергії до поверхні планети порівняно постійний (1,93 кал/см² за 1 хвилину). З усієї променистої енергії, що доходить до поверхні планети, 40% її відбивається у космічний простір, а 15% поглинається, перетворюючись в тепло, чи витрачається на випаровування води.

Всю біосферу можна розглядати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Вони перетворюють вільну променисту енергію в енергію хімічних зв'язків, котра потім переходить від одних біосферних структур до інших.

Вільну променисту сонячну енергію можуть використовувати тільки зелені рослини для синтезу органічної речовини завдяки виробленому в процесі еволюції біохімічному процесу фотосинтезу. Використана зеленими рослинами промениста сонячна енергія переходить в органічній речовині в енергію хімічних зв'язків. Травоїдні тварини, поїдаючи зелені рослини, частину рослинної органічної речовини витрачають на побудову свого тіла, а частину окислюють і звільняють енергію для своєї життєдіяльності. Хижаки поїдають травоїдних тварин і частину органічної речовини травоїдної тварини витрачають на побудову свого тіла, а частину окислюють, звільняючи енергію для своєї життєдіяльності і так дальше відбувається потік енергії через живі організми по ланцюгу живлення. Завершується потік сонячної енергії на редуцентах, де енергія або ж остаточно розсіюється у вигляді тепла, або акумулюється в мертвій органічній речовині (детрит). Однією з форм тривалого збереження акумульованої енергії є нафта, кам'яне вугілля, торф.

Ефективність перенесення енергії в живій речовині досить низька. При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та втрачається в навколишньому просторі. При перенесені від продуцентів до консументів першого порядку вона складає всього 10%. Перенесення від консументів першого порядку до консументів другого порядку більш ефективний - 20%

Біогеохімічні цикли. Колообіг речовин.

За рахунок міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів - біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний). В біологічному кругообігу переміщаються в основному вуглець, кисень, азот, фосфор, кальцій. Обидва колообіги протікають одночасно та тісно пов'язані між собою.

Як вам уже відомо одним із компонентів біосфери є жива речовина. Унікальна роль її в біосфері полягає в її високій біогеохімічній активності. Жива речовина автотрофних організмів здійснює поглинання сонячної енергії та її перетворення в енергію хімічних зв'язків. Сукупна біогеохімічна активність призвела до значної зміни газового складу атмосфери, в результаті чого атмосфера відновного типу перетворилася в атмосферу окислювального типу зі значним вмістом кисню. За рахунок діяльності біосфери на Земній Кулі сформувався озоновий екран.

Жива речовина змінила гірські породи та сприяла появі нових видів (вапняки). Життєдіяльність рослин тварин та мікроорганізмів спричинила появу грунту. Жива речовина планети є ініціатором та рушієм біохімічних циклів речовин. Велике значення в цьому має розмноження організмів, яке В.І.Вернадський назвав «розтіканням» живої матерії, її «прагненням до всюдності».

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин, та призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне поетапне перетворення речовин та зміна потоків енергіі з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трансформації речовин.

Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та інших від одного компоненту біосфери до інших так, що на певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оцінюючими параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів.

Міграція речовин в межах геосфер підрозділяється на 5 основних типів:

1. Механічне перенесення (йде без зміни хімічного складу).

2. Водне ( міграція здійснюється за рахунок розчинення речовин та їх наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із більш важливих видів переміщення речовин в біосфері.

3. Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря).

4. Біогенне ( перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).

5. Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.

Інтенсивність кругообігу речовин в будь-якому біогеохімічному циклі є найважливішою характеристикою і в різних умовах він різний. Найбільша швидкість кругообігу речовин в тропічних та субтропічних біомах.

Аналізуючи біогеохімічні цикли, В.І.Вернадський виявив концентраційну функцію живої речовини. За рахунок цієї функції жива речовина вибірково поглинає із навколишнього середовища ті хімічні елементи, які їй потрібні. Якщо наша планета сформована в першу чергу із сполук заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню, то за рахунок вибіркового поглинання та концентраційної функції біомаса складається в основному із водню, вуглецю, азоту при порівняно малій кількості інших елементів.

Хімічні елементи, що беруть переважну участь у побудові живої речовини та необхідні для її синтезу, отримали назву біогенних.

Дуже важливо, що для біосфери характерна висока замкненість біогеохімічних циклів. Втрати речовин у них складають 3 - 5% , Такі природні відходи для біосфери не шкідливі. Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли вуглецю, води, азоту та фосфору.

Поняття середовище, екологічні чинники його.

Середовище - це всі тіла, явища, з якими організм має прямі чи опосередковані взаємозв'язки, Живі організми, що населяють нашу планету, освоїли чотири основні середовища, кожне з яких має свій склад, свої екологічні чинники: водне середовище, водно-повітряне, грунт, самі організми.

Розрізняють чинники абіотичні, біотичні і антропогенні.

Абіотичні чинники середовища - це хімічні та фізичні чинники - чинники неживої природи (світло, температура, вологість, вітер, солоність вод і грунтів). Всі вони по різному впливають як один на одного, так і на біотичний компонент екосистеми.

Для кожного виду організмів стосовно кожного чинника середовища існує:

1. Зона оптимуму ( організм існує в найсприятливіших для розвитку умовах);

2. Зона песимуму ( стресова зона);

3. Діапазон стійкості, за межами якого організм гине.

Так для рослини зона оптимуму по температурі знаходиться в межах 15-30⁰С, зона песимуму - 35-45⁰ верхня межа і 0-10⁰ - нижня межа. Діапазон витривалості - відповідно 0⁰ і верхня межа 50-55⁰С.

На основі цього формулюється закон обмежувальних чинників (закон Лібіха): Навіть єдиний чинник за межами зони свого оптимуму викликає стресовий стан організму, а поза межами стійкості - загибель.

Одним із абіотичних чинників є температура. Тепло розподіляється на Землі не рівномірно: найбільше сонячної енергії отримують екваторіальні зони, найменше - території біля полюсів. У природному середовищі спостерігаються широтні, сезонні, добові, висотні, глибинні та інші температурні зміни.

Для оцінки температурного режиму використовують:

- середньорічні температури;

- сума активних температур вище 10⁰ С;

- радіаційний баланс.

При низьких температурах знижується інтенсивність біохімічних процесів, при високих - руйнується білок. Найбільш оптимальною є температура 23-25⁰ С.

Залежно від потреб у теплі рослин поділяють на:

- теплолюбиві - пальма, фікус, цитрусові та інші;

- холодостійкі - рослини тундри та альпійських зон;

- мезотермні - рослини помірного поясу.

Тварини бувають теплокровні та холоднокровні. Теплокровні тварини за рахунок системи теплорегуляції зберігають постійну температуру тіла. Холоднокровні тварини, не маючи системи теплорегуляції, приймають температуру навколишнього середовища.

Вода :

- є середовищем для існування водяних рослин і водоростей і багатьох видів тварин;

- становить основу організму;

- визначає тургор;

- забезпечує охолодження за рахунок випаровування з поверхні тіла;

- є джерелом водню при фотосинтезі;

- забезпечує транспорт поживних речовин і всмоктування їх із грунту;

- виводить із організму продукти метаболізму;

- визначає стан і стійкість організму за екстремальних умов.

Світло - один з найважливіших для рослин абіотичних факторів, завдяки йому відбувається найважливіший на Землі процес - фотосинтез. На розвиток рослин впливає інтенсивність сонячної радіації, розподіл світових умов у часі, якісний склад світла. Рослини по відношенню до світла бувають світлолюбиві, тіневитривалі і тінелюбиві.

По різному реагують на світло і тварини ( кроти, кажани, сови).

Хімічні чинники. До них належить хімічний склад середовища: в грунті це вміст поживних речовин, вологість, концентрація гумусу, наявність забрудників; у повітрі - вміст кисню, вуглекислого газу; у воді - наявність природніх і штучних хімічних речовин.

Механічні чинники. Вітер формує крони дерев, бере участь у заплідненні рослин та поширенні насіння рослин.

Комплексні групи чинників. Кліматичні умови, зумовлені переважно температурою, вологістю швидкістю руху повітря. Вони забезпечують існування видів, пристосування їх до зміни умов.

Орографічні умови (рельєф). Навіть на різних схилах гори південному і північному - різні умови, рослинність, угрупування тварин.

Елфічні (грунтові) чинники. Грунти відрізняються за хімічним складом, фізичними і структурно-механічними властивостями.

Біотичні чинники середовища

Біотичні чинники - це вплив одних організмів на інші і на навколишнє середовище. До біотичних чинників відносять і антропогенні ( вплив виробничої діяльності людини на функціонування біосистем).

Біогенні чинники поділяють на:

- зоогенні (вплив тварин);

- фітогенні (вплив рослин);

- мікробогенні (Поява хвороб, вплив мікроорганізмів);

- антропогенні - сукупність різних видів впливу людини на природне середовище, що проявляється вирубуванням лісів, розорюванням земель, знищенням тварин і птахів, забрудненням водойм і загибеллю риби, зміною стану довкілля і зростанням захворюваності людей.

Місце людини в біосфері

Біологічні відмінності людини полягають не тільки в посиленому розвитку головного мозку, що, в першу чергу, відділило людину від інших видів тварин. Відмінності проявляються в необмеженій здатності до розмноження. За період існування людства щільність його зросла більш ніж в 4 тисячі разів. Цей ріст не мав плавного характеру. Протягом тривалого періоду чисельність народонаселення зростала поступово, а у ХХ столітті темпи приросту населення різко зросли. Якщо раніше для подвоєння числа жителів планети треба було біля 600 років, то останнє подвоєння від 3 до 6 мільярдів чоловік відбулося всього за 38 років. Цей ріст був настільки стрімким, що отримав назву «демографічний вибух».

Висока чисельність населення виявилася новим явищем і поряд з науково-технічною революцією вона стала головною причиною антропогенної зміни біосфери. Припускають, що відносини в системі «людина - природне середовище» будуть залежати від подальшої тенденції росту чисельності народонаселення. Оптимісти вважають, що помітний спад приросту населення, який зараз дав про себе знати в розвинутих країнах, пошириться на всю Земну Кулю і відбудеться стабілізація чисельності населення на рівні близько 10 мільярдів чоловік.

Діаметрально протилежна точка зору була висловлена ще у 1798 році Т.Мальтусом, який стверджував, що чисельність народонаселення росте і буде рости в геометричній прогресії, а ресурси, необхідні для задоволення потреб людства, ростимуть тільки в арифметичній прогресії, чим і визначається конфліктність в системі «людина - природне середовище».

У ході розвитку людства, появи технічних споруд, розвитку культурних та соціальних феноменів у межах біосфери з'явилася нова підсистема «людство - природне середовище». Взаємодія в цій підсистемі має двобічний характер, але з ростом технічної озброєності людини в ній почав переважати однонаправлений вплив людини на природні компоненти. Такий вплив отримав назву антропогенний, а зміни в природі під впливом людини - антропогенез.

Життя біосфери в до антропогенний період являло собою лише взаємодію живої та неживої матерії. Людство привнесло в життя біосфери принципово нові економічні, соціальні та технічні феномени і тим самим якісно змінило біосферні процеси.

Зростання технічної озброєності людини призвело до виникнення в зоні біосфери числених технічних об'єктів. З'явилася ще одна складова Земної Кулі - техносфера. Прямий чи опосередкований вплив технічних засобів в наш час охоплює всю біосферу і спричиняє великий вплив на потік енергії та біогеохімічні цикли Землі.

Важливо усвідомити різницю та приорітетність ролей у відносинах Природа - Людина - Цивілізація. Першостепенне значення має проникнення в ідею гармонії, а не просто співіснування. Сліпа віра в рівноправне та взаємовигідне положення цих двох першооснов життя призвело до кризи в тому чи іншому розумінні цього слова. Це співіснування уже давно перестало бути взаємовигідним та корисним. Це і зумовило антропогенні зміни в природі, яка, в свою чергу, теж певним чином впливає на людську істоту. Отже, це таке собі коло, яке можливо і необхідно розірвати.

Сьогодні всім ясно, що здорове навколишнє середовище не менш значуще, ніж матеріальні і духовні потреби. Без глобальної перебудови відносин в системі «Людина - Природа» всі заходи економічного, екологічного, науково-технічного характеру будуть мати лише приватне значення і не зможуть стати скільки- небудь серйозною перешкодою на шляху екологічної катастрофи. Фахівці, які займаються цією проблемою прийшли до висновку: «Або людина повинна змінитися, або їй призначено зникнути з лиця Землі».

Тема: Екологічні системи та біоценоз

Мета: Пізнання студентами функціональних систем біосфери, їх ознак, усвідомлення всезагальних зв'язків і взаємодії живих і неживих компонентів, принципів функціонування екосистем і забезпечення їх стійкості.

Контрольні питання теми

1. Екосистеми і біогеоценоз, поняття. Компоненти біогеоценозу. Ознаки для характеристики екосистем.

2. Абіотичні фактори екосистем, їх розподіл за призначенням, типи дії їх.

3. Найбільш важливі фактори з погляду життєдіяльності організмів (територія, температура, сонячна радіація, газовий склад повітря), їх значення для функціонування екосистем.

4. Грунт як біокосний елемент екосистеми: головні фактори утворення грунту, структура і екосистемні функції його.

5. Життя в грунті, механізми добування рослинами поживних речовин.

6. Живі організми в екосистемах, види структур біоценозу, правило формування видового складу біоценозу.

7. Основні форми зв'язків між організмами в біоценозі.

8. Принципи функціонування екосистем. Порушення цих принципів людиною.

9. Забезпечення стійкості екосистем (біотичний потенціал та опір середовища).

10. Сукцесія - окремий випадок еволюції екосистем. Первинна та вторинна сукцесії.

11. Основні природні екосистеми Землі (суходоли і екосистеми водойм). Розподіл екосистем за продуктивністю.

Екосистема - основна структурна одиниця біосфери. Поняття про екосистеми надзвичайно важливе для аналізу всього різноманіття екологічних явищ.

Основоположником вчення про екосистеми є англійський еколог А.Тенслі (1935). Екосистемою називають сукупність організмів, які спільно проживають, та умови їх існування, що знаходяться в закономірному зв'язку одне з одним. Екосистема - це поняття безрозмірне, без фіксованих меж, це загальне поняття. Екосистема - це і невеличкий ставок і світовий океан, великий ліс і окреме дерево. У сучасній екології поняття екосистема є розмитим.

Термін екосистема близький до терміну «біогеоценоз», введеного в обіг російським ученим В Сукачовим у 1940 році. Біогеоценоз - це природна ділянка земної поверхні з певним складом живих і неживих компонентів і динамічною взаємодією між ними.

Біогеоценоз містить два компоненти:

1. Екотоп - (грец. топос - місце) - сукупність на певній території абіотичних

чинників (кліматичних і грунтових);

2. Біоценоз - сукупність живих організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів) - біотичний чинник.

Поняття біогеоценоз і екосистема майже ідентичні, можливо останнє ширше і тому більш вживане.

Для характеристики екосистем використовують досить великий набір ознак, основні із них:

1. Видовий склад живих організмів;

2. Співвідношення в екосистемі організмів із різними типами живлення;

3. Розмір створюваної в екосистемі первинної та вторинної біологічної продукції;

4. Інтенсивність потоку енергії через екосистему та швидкість кругообігу речовин;

5. Режим абіотичних умов та ресурсів.

Абіотичні компоненти екосистем.

Абіотичні фактори - це фактори неживої природи, вони визначають можливість існування всіх груп організмів у тому чи іншому середовищі, впливаючи на географічне поширення рослин, тварин, мікроорганізмів. В екосистемах абіотичні фактори виступають як ланка, що зв'язує різні групи організмів, забезпечуючи структурно-функціональну цілісність екосистем.

За своїм значенням абіотичні фактори поділяються в екосистемах на дві групи:

1. Ресурси, тобто такі фактори, що використовуються живими організмами та розподіляються між ними (вода, поживні речовини);

2. Умови існування, тобто неподільні абіотичні фактори, які не витрачаються в процесі життєдіяльності та в однаковій мірі впливають на всі живі організми в даній екосистемі (температура , рН грунту, світло та ін.).

Всі абіотичні фактори підрозділяють на:

* кліматичні фактори (температура, режим освітленості, повітря та інші);

* адафічні фактори, що включають у себе ресурси та умови, пов'язані з грунтом (тип грунту, його фізико-хімічні особливості, склад грунтового розчину, тощо);

* фактори, що діють у товщі води та мають значення для водних екосистем.

Відповідно до В.Р.Вільямса (1939) для живих організмів однаково важливі чотири фактори: світло, тепло, вода та їжа.

К.А.Куркін (1972) класифікує фактори по типу їх дії:

- такі, що стабільно діють у даній екосистемі та протягом тривалого часу не змінюють свого значення;

- багаторазові коливання значень даного фактора протягом одного вегетативного сезону.

- флуктуаційні, які коливаються упродовж років;

- багаторічно-циклічні, з періодичністю дії, що складає цикли тривалістю в десятки та сотні років.

З погляду життєдіяльності організмів найбільш важливими є доступність території, температурний режим, сонячна радіація, забезпеченість вологою та газовий склад атмосфери.

Територія. Наявність необхідного простору є досить важливим фактором для мешканців тієї, чи іншої екосистеми. Територія - це перш за все ресурси. Зайняти стійку позицію в просторі - це означає не тільки вільно користуватися всіма ресурсами та умовами екотопу, що проявляються на даній ділянці простору, але й контролювати доступність цієї ділянки простору для конкурентів.

Температура. Головним джерелом тепла для екосистем є сонячна радіація, Живі організми можуть існувати тільки в певних температурних межах. У зв'язку із зональністю тепловий режим на Земній Кулі є провідним фактором щодо географічного поширення рослин і тварин. Наприклад ізотерма липня +10⁰С збігається з північною межею поширення лісів, а в Україні максимальна денна температура +6,5⁰С протягом 230-232 днів визначає східну межу поширення буку.

За температурним режимом на Земній Кулі виділяють:

- тропічний пояс - середня температура найхолоднішого місяця не нижче +15⁰С. Тут температура ніколи не опускається нижче 0⁰С. Вегетаційний період триває весь рік;

- субтропічний пояс - лежить на північ та південь від тропічного. Температура найхолоднішого місяця тут вища +4⁰С. Зниження температури нижче 0⁰С тут спостерігається рідко;

- помірний пояс - лежить відповідно північніше і південніше субтропічного, У його межах добре виражена сезонна зміна пір року. Тривалість вегетаційного періоду - не менше 2 місяців.

- холодний пояс - прилягає до північного та південного полюсів. Вегетаційний період тут триває менше 2 місяців.

Для повної характеристики теплового режиму екосистеми ще використовують:

- річний хід температури;

- суму температур за той чи інший проміжок часу;

- максимальні і мінімальні температури, що спостерігаються.

Для живих організмів важливі як середні значення температур, так і крайні значення, що можуть призвести до загибелі. Для більшості рослин і тварин режим змінних температур більш сприятливий, ніж постійна температура. У багатьох організмів виробляється пристосування до переживання крайніх значень температури, до спеки та холоду.