Учебно-методический комплекс по дисциплине «Эко�

Автор-составитель:

Локтионова Ирина Валентиновна, к.т.н., доцент

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Экология» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и на основании примерной учебной программы данной дисциплины в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки экономиста по специальности 230101.65 Вычислительные машины, комплексы и сети. Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общих математических и естественнонаучных дисциплин специальности и является обязательной для изучения. Данный учебно-методический комплекс рассмотрен и одобрен на заседании Учебно-методической комиссии РОАТ. Протокол №4 от 01.07.2011.

Содержание

Рабочая учебная программа по дисциплине ……………………………

4

Конспект лекций по дисциплине ………………………………………..

12

Методические указания студентам ………………………………………

126

Методические указания преподавателям ………………………………

127

Задание на контрольную работу и общие указания к выполнению контрольной работы ………………………………………...................

129

Вопросы к дифференцированному зачету по дисциплине …………...

151

1 ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В систему знаний общей экологии входят более 40 естественных, технических и социальных наук. Дисциплина «Экология» относится к блоку естественно научных дисциплин, для ее понимания необходимы знания, полученные, прежде всего, в области учебных дисциплин: «Концепции современного естествознания», «Теоретические основы прогрессивных технологий» (основы биологии, физики, химии); а также из области истории, культурологии, философии.

Цель изучения дисциплины - формирование у будущих специалистов на базе усвоенной системы опорных знаний по экологии способностей по оценке последствий их профессиональной деятельности и принятия оптимальных решений, исключающих ухудшение экологической обстановки.

Задачи изучения дисциплины:

- ознакомление с терминологией и понятиями экологии;

- усвоение основных экологических законов;

- понимание роли антропогенного воздействия в конкретном регионе и на биосферу в целом;

- понимание перспектив использования новых достижений науки при организации современных технологий и направлений бизнеса в контексте существующих экологических проблем.

2 ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Изучив дисциплину студент должен

ЗНАТЬ:

— основные проблемы и задачи экологии, характер и степень опасности воздействия объектов железнодорожного транспорта на природу;

— принципы формирования допустимой нагрузки на окружающую природную среду;

— основы управления природоохранной деятельностью на объектах железнодорожного транспорта;

— порядок проведения экологической паспортизации и экологической экспертизы объектов железнодорожного транспорта.

УМЕТЬ:

— оценивать степень экологической опасности воздействия объектов железнодорожного транспорта на окружающую природную среду;

— выполнять инженерные расчеты устройств по очистке выбросов и сбросов от вредных веществ и других видов антропогенного воздействия на природную среду;

определять размеры платежей за использование природных ресурсов и загрязнение окружающей среды.

ИМЕТЬ ОПЫТ:

- проведения контроля параметров негативных воздействий и оценки их уровня на их соответствие нормативным требованиям.

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

— об основных терминах и понятиях экологии;

— о биосфере и направлении ее эволюции;

— о причинах обострения экологической ситуации, экологическом кризисе;

— об основных законах и механизмах функционирования и развития экологических систем, о законах сохранения равновесия в природе, круговороте элементов, потоков энергии, о влиянии деятельности человека на экосистемы;

— об основах природоохранного законодательства, основных законодательных актах, правовых нормах и стандартах качества природной среды;

— об основах экономики природопользования;

— об экологическом мониторинге и экологическом контроле;

— о принципах охраны природы и рационального использования природных ресурсов, природосберегающих технологиях на железнодорожном транспорте и перспективах их развития;

— об экологических картах объектов железнодорожного транспорта.

3 ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

Вид занятий

Количество часов

Лекции, ч

4

Практические занятия, ч

4

Контрольная работа (количество)

1

Самостоятельная работа, ч

62

Зачет (количество)

1

Всего часов

70

4 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

Раздел дисциплины

Лекции

Введение

Тема 1. Основы общей экологии.

Тема 2. Эколого-правовые и организационные вопросы охраны окружающей природной среды.

Тема 3. Взаимодействие объектов железнодорожного транспорта с окружающей природной средой.

3.1 Воздействие железнодорожного транспорта на природную среду.

3.2 Защита природных сред на объектах железнодорожного транспорта.

0,5

0,5

1,0

1,0

1,0

Итого:

4

4.2. Содержание разделов дисциплины

1. Основы общей экологии

Основные термины, понятия и законы экологии.

Место экологии в системе естественных наук. Современное понимание экологии как науки об экосистемах в биосфере.

Основы взаимодействия общества и природы. Социальные аспекты природопользования. Историческое и современное содержание охраны окружающей среды.

Природные ресурсы и их классификация.

Проблемы, связанные с антропогенным воздействием на биосферу. Экологический кризис.

Глобальные проблемы экологии (изменение климата, парниковый эффект, разрушение озонового слоя, деградация земель, загрязнение атмосферы и гидросферы, воздействие шума, кислотные дожди). Предмет, содержание и основные задачи экологии.

Биосфера. Основные составляющие биосферы (почва, недра, гидросфера, ландшафты, атмосфера, флора, фауна) и их значение для жизни на Земле.

Структура экосистем. Биотические, абиотические и антропогенные факторы. Категории организмов: продуценты, консументы, детритофаги и редуценты. Пищевые связи. Непищевые взаимоотношения. Закон лимитирующих факторов. Биохимический круговорот веществ в природе (кислорода, углерода, азота, фосфора). Экологические пирамиды. Устойчивость экосистем. Равновесие экосистем. Принцип сохранения равновесия в окружающей среде. Влияние человека на устойчивость экосистем.

2. Эколого-правовые и организационные вопросы охраны окружающей природной среды

Основные принципы охраны окружающей природной среды. Состав природоохранного законодательства. Закон Российской Федерации "Об охране окружающей природной среды". Контроль за выполнением экологического законодательства. Ответственность за экологические правонарушения. Стандарты в области охраны природы. Системы стандартов в природопользовании.

Задачи экономического механизма охраны природной среды. Плата за природные ресурсы. Плата за загрязнение окружающей природной среды и другие виды воздействия.

Назначение экологической экспертизы. Принципы экологической экспертизы. Государственная экологическая экспертиза. Общественная экологическая экспертиза. Экологический паспорт как инструмент изменения политики проведения природоохранных мероприятий.

Управление охраной окружающей среды на объектах железнодорожного транспорта. Экологический контроль и оценка природоохранной деятельности в МПС. Планирование мероприятий по охране окружающей среды.

3. Взаимодействие объектов железнодорожного транспорта с окружающей природной средой

3.1 Воздействие железнодорожного транспорта на природную среду

Системный подход при изучении взаимодействия транспорта с окружающей средой. Уровни и нормы воздействия на природную среду. Характеристика наиболее распространенных загрязнителей окружающей природной среды на объектах железнодорожного транспорта: неорганические соединения (оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота); органические соединения (сажа, нефтепродукты); биологические загрязнители; синтетические поверхностно-активные вещества; тяжелые металлы (ртуть, свинец); другие химические загрязнители; шумы и вибрации; радиоактивное, электромагнитное излучения; тепловое загрязнение. Влияние загрязнений на экосистемы и здоровье людей.

3.2 Защита природных сред на объектах железнодорожного транспорта

Водопользование и водопотребление. Источники загрязнения воды на объектах железнодорожного транспорта. Нормирование качества воды в водоемах. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воде. Контроль качества воды. Условия сброса сточных вод в канализацию. Способы очистки сточных вод. Расчет допустимого состава сточных вод. Замкнутые системы водопользования на предприятиях железнодорожного транспорта.

Источники загрязнения атмосферного воздуха на объектах железнодорожного транспорта. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе (ПДК), предельно допустимые выбросы вредных веществ (ПДВ), временно согласованные выбросы (ВСВ). Определение приземных концентраций выбросов вредных веществ. Санитарно-защитные зоны. Методы и средства очистки атмосферного воздуха от загрязнений. Типовые схемы очистки воздуха на объектах железнодорожного транспорта. Контроль качества атмосферного воздуха.

Почвы и их роль в плодородии земли. Загрязнение земель и почв объектами железнодорожного транспорта. Нарушение и рекультивация земель. Лесные полосы вдоль железных дорог.

Охрана недр. Охрана ландшафтов в зонах строительства и эксплуатации объектов железнодорожного транспорта.

Пути снижения расхода природных ресурсов на предприятиях железнодорожного транспорта. Утилизация и переработка отходов. Токсичные производственные отходы.

Источники шумового загрязнения на объектах железнодорожного транспорта. Нормирование и контроль шума. Методы и способы защиты жилых объектов от транспортного шума. Конструктивные решения по снижению шума.

Действие радиации на организм человека. Опасность перевозимых радиоактивных веществ для человека и меры обеспечения безопасности.

Основные источники и методы защиты от электромагнитных полей на железнодорожном транспорте.

4.3. Практические занятия

№

п/п

Наименование практических занятий

Количество часов

1

Определение величину максимальной концентрации вредного вещества у земной поверхности, прилегающей к промышленному предприятию, расположенному на ровной местности, при выбросе из трубы нагретой газовоздушной смеси.

1

2

Определение максимальной концентрации пыли в приземном слое атмосферы при выбросе холодного запыленного воздуха из вентиляционной шахты с прямоугольным устьем. Перед выбросом в атмосферу воздух очищается в пылеуловителях.

1

3

Определение основных размеры нефтеловушки, используемой в качестве первой ступени очистки воды в оборотной системе водоснабжения промывочно-пропарочной станции, и эффективность ее работы.

1

4

Определение необходимой степени очистки промышленных сточных вод от загрязняющих взвешенных веществ. Сточные воды после очистки на очистных сооружениях выпускаются в водоем, используемый для питьевого водоснабжения.

1

5. УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Обязательная литература

Хван, Т.А. Основы экологии: Учебное пособие/ Т.А. Хван, П.А. Хван. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. -254 с.
Передельский Л. Экология: Электронный учебник/ Л. Передельский.- М.: Кнорус, 2009. – 209 с.
Куклев, Ю.И. Физическая экология: Учебное пособие/ Ю.И. Куклев. -3-е изд. - М.: Высшая школа, 2008. - 392 с.
Экология: учебное пособие для вузов/ под ред. А.В. Тотай.- М.: Издательство Юрайт, 2011.- 407 с.
Экология: Учебник/ Под ред. Л.И.Цветковой. -М.: АСВ; СПб.: Химиздат, 1999. -488 с.
Маслов, Н. Н. Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте: Учебник/ Н.Н. Маслов, Ю.И. Коробов. - 2-е изд. - М.: Транспорт, 1997. - 238 с.
Вадченко, В. Г. Основы общей экологии и охраны природной среды: Учебное пособие/ В.Г. Вадченко, В.К. Васин, В.И. Бекасов. - М.: РГОТУПС, 1999. - 94 с.
Закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды». Ведомости Верховного Совета РФ, 1992, № 10.

Рекомендуемая литература

Богданкевич, О.В. Лекции по экологии/ О.В.Богданкевич. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. -208 с.
Экология: курс лекций / Ю.П. Сидоров, С.В. Рассказов, Т.В. Гаранина, Т.А. Сытник; Редакц.-издат. сов. РГОТУПСа. - М. : РГОТУПС, 2005. - 111 с.
Болдин, А.Н. Экологический аудит : Учебное пособие/ А.Н. Болдин. - М.: МГИУ, 2005. - 112 с.
Гурова, Т.Ф. Основы экологии и рационального природопользования: Учебное пособие/ Т.Ф. Гурова, Л.В. Назаренко. - М.: Издательство Оникс, 2005. -224 с.
Еремкин, А.И. Нормирование выбросов, загрязняющих веществ в атмосферу: Учебное пособие/ А.И. Еремкин, И.М. Квашнин, Ю.И. Юнкеров. - М.: Изд-во АСВ, 2001. -176 с.
Комплексные технологии утилизации отходов железнодорожного транспорта : Учебное пособие/ Под ред. Л.Б.Сватовской. - М.: ГОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2007. -190 с.
Крылов, В.К. Охрана окружающей среды на транспорте/ В.К. Крылов. - М.: РГОТУПС, 2001. -200 с.
Коробкин, В.И. Экология: Учебник/ В.И. Коробкин, Л.В. Передельский. -9-е изд. -Ростов н/Д: Феникс, 2005. -576 с.
Дубовик, О.Экологическое право: Учебник/ О.Л. Дубовик.- М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2005. - 584 с.

6. MATЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Персональные компьютеры, видеомагнитофон, телевизор цветного изображения, пакет программ Microsoft Office 2003 или Microsoft Office XP.

ЭКОЛОГИЯ

конспект лекций

Глобальные изменения в мире, вызванные антропогенным воздействием на природную среду, ныне приобрели такой характер и масштабы, что ведут к интенсивному разрушению природы, породившей человека. Конечно, в биосфере еще идут процессы самовосстановления, она способна к усложнению и усовершенствованию, но в последние годы многое говорит о том, что сама природа находится на грани выживания. С другой стороны, мы являемся свидетелями своеобразного «бунта» природы против человека, по данным бельгийского геолога Войлард, за последние 20 лет частота засух возросла в 8 раз, случаи извержения вулканов в 3 раза, наводнения участились в 2 раза, частота эпидемий удвоилась. 95 % населения мира не понимают до конца нависшей угрозы экокатастрофы для себя и своих потомков, вовсе не задумываются о путях выхода из создавшейся ситуации. Человек ведет себя с природой как хозяин, оставив ей лишь роль поставщика всего необходимого ко «двору его Величества», игнорируя законы природы. У многих людей укоренился взгляд, что вся мощь человеческой мысли, реально воплощенная в передовых технологиях и орудиях труда, подняла человечество выше эволюционных процессов. Такие взгляды опасны, т.к. не дают возможности человеку адекватно реагировать на угрозу его существования.

На рубеже веков явилось осознание человечеством новой жизненно важной потребности – экологической безопасности личности, общества, государства, мира в целом. Среда обитания человека – окружающая среда – характеризуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных при определенных условиях оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное действие на деятельность и здоровье человека.

Вопросами развития окружающей среды занимается экология - наука о взаимоотношении живых организмов и среды 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.

Невозможно охранять природу, пользоваться ею, не зная, как она устроена, по каким законам существует и развивается, как реагирует на воздействие человека, какие предельно допустимые нагрузки на природные системы может позволить себе общество, чтобы не разрушить их. Всё это и является предметом экологии.

Термин «экология» предложен в 1869 г. немецким ученным Э. Геккелем. Слово «экология» образовано от греческого «ойкос», что означает дом, и «логос» - наука. Таким образом, экология – наука о том "доме", в котором мы все живем, то есть о нашей планете. Под экологией Геккель понимал сумму знаний, относящихся к экономии природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей средой, как с органической, так и неорганической, и прежде всего – его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми оно прямо или косвенно вступает в контакт.

В буквальном смысле по словарю Вебстера экология – это наука об организмах "у себя дома", наука, в которой особое внимание уделяется "совокупности или характеру связей между организмами и окружающей их средой". Слово «экономика» (от греческого oikonomike) также образовано от греческого корня «ойкос» и буквально означает искусство ведения домашнего хозяйства; поэтому совершенно очевидно, что экология и экономика должны идти рука об руку. Однако очень часто экологи и экономисты выступают противниками с непримиримыми взглядами.

В современном понимании экология – это наука об отношениях организмов или группы организмов к окружающей их среде или наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

История развития экологии. Экология приобрела практический интерес ещё на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый индивидуум, для того чтобы выжить, должен был иметь определённые знания об окружающей среде, то есть о силах природы, растениях и животных. Благодаря достижениям техники, мы теперь, казалось бы, меньше зависим от природы в своих насущных потребностях и поэтому склонны забывать, что зависимость эта сохранилась. Пока не наступит какой-либо кризис, мы склонны принимать даровые блага и услуги природы как нечто само собой разумеющееся; нам кажется, что они никогда не иссякнут или что их смогут заменить технические изобретения, хотя опыт свидетельствует, что это не так.

Парадокс заключается в том, что индустриально развитые страны добились процветания, временно освободив человека от подчинения законам природы, используя конечный и быстро иссекаемый запас горючих ископаемых, накопленный самой природой. И всё же цивилизация продолжает зависеть от окружающей среды, причём не только от энергетических ресурсов, но и от её жизненно важных процессов, таких, как круговороты воздуха и воды.

И теперь сохранение цивилизации зависит от наших знаний о природе и разумных действий, направленных на сохранение и улучшение окружающей среды.

Подобно всем другим областям знания, экология развивалась непрерывно, но неравномерно на протяжении истории человечества. Труды Гиппократа, Аристотеля и других древнегреческих философов содержат сведения явно экологического характера. Большой вклад в развитие экологии внесли деятели «биологического Возрождения» ХVIII – ХIХ веков, такие как, например: Левенгук, один из первых микроскопистов, являющийся пионером в изучении пищевых цепей и регуляции численности организмов; или, например, английский ботаник Ричард Брэдли, который ввёл представление о биологической продуктивности.

Ввёл понятие экологии немецкий биолог Эрнст Геккель, который писал, что к сфере экологии относятся "крайне сложные и запутанные явления, которые определяются отношениями организмов к окружающей среде, к органическим и неорганическим условиям жизни; это так называемая «экономия природы», взаимоотношения между всеми организмами, которые живут совместно на одном и том же месте…".

Если Геккеля можно считать основателем экологии как особой дисциплины, то Чарльз Дарвин – создатель её биологического фундамента. Действительно, взгляд Дарвина на борьбу за существования не только как на борьбу организмов друг с другом, но и с окружающей абиотичекой средой послужил тем научным фундаментом, на котором Геккель возвёл здание своей науки об «экономии природы».

В конце 80-х годов ХIХ столетия экология сформировалась как самостоятельная биологическая дисциплина и оставалась такой до 50-х годов ХХ столетия. К наиболее выдающимся экологам этого периода принадлежат такие зарубежные ученные, как Г. Бердон-Сандерсон, У. Элтон и А Тенсли (Англия), С. Форбс и В. Шелфорд (США), а также отечественные - Д. Кашкаров, А. Парамонов, В. Вернадский, С. Северцев, В. Сукачев.

Как признанная самостоятельная научная дисциплина экология возникла вначале ХХ века, но её название «экология» вошло в общий лексикон в 70–80-х годах ХХ века. Движение, которое лучше всего назвать как «всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды», внезапно развернулось в течении двух лет, с 1968 по 1970 г. Рост общественного интереса оказал глубокое влияние на академическую экологию.

Если до 1970 г. на экологию смотрели как на одно из подразделений биологии, то сейчас она уже вышла из рамок биологии, оформившись в принципиальную новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

Среди выдающихся экологов более поздних времен следует назвать Ю. Одума, Б. Коммонера, Д. Медоуза, Р. Риклефса, Р. Дажо, В. Ковду, М. Будико, М. Реймерса, С. Шварца, Ю.В. Новикова, Ю. Израэля, О. Яблокова, В. Горшкова, К. Лосева, К. Кондратьева. Методы исследований современной экологии очень разнообразны. Это новые физические, химические, биофизические, биоиндикационные, биохимические, радиобиологические, метеорологические и кибернетические методы, наземный, воздушный и космический экомониторинги, современные ЭВМ с их возможностями анализа, систематики, моделирования экосистем, прогноза. Основными задачами будущих экологических исследований большинство ученых считает решение таких проблем: глобальной конверсии сознания человечества, выработка абсолютно новых моральных основ, полной перемены жизненной парадигмы, превращение человечества в единый биосоциальный организм с коллективным интеллектом и чрезвычайно высокой системой информации; народонаселения; парникового эффекта; кислотных дождей и озоновой дыры; полной утилизации отходов промышленности; экологически "чистой" энергетики; дехимизации сельского хозяйства; экологически чистого транспорта; демилитаризации; ресурсосбережения и рекультивации литосферы; достижение планетарного консенсуса взаимоотношений человечества с природой.

Следует отметить, что, начиная с прошлого века, и по сей день вокруг вопроса о предмете и статусе экологии среди других дисциплин велась оживлённая, а порой и весьма острая полемика. И действительно, изучение отношений организмов с окружающей средой – слишком общая формулировка, не позволяющая выделить специфику экологии как самостоятельной дисциплины.

Известный эколог Э. Макфедьен выразил эту проблему в следующем полемическом заключении: "Приходиться признать, что эколог – это некто вроде дипломированного вольнодумца. Он самовольно бродит по законным владениям ботаника и зоолога, систематика, зоопсихолога, метеоролога, геолога, физика, химика и даже социолога; он браконьерствует во всех названных и во многих других уже сложившихся и уже почтенных дисциплинах".

Среди биологов до сих пор преобладает твёрдое мнение, что экология – это биологическая наука, один из подразделов общей биологии. Вот как об этом писал, например, один из американских экологов Р. Маргалеф: "Я утверждаю, что экология является исследованием систем на таком уровне, когда особи могут рассматриваться как элементы взаимодействия друг с другом, или со свободно организованной матрицей окружающей среды. Системы на этом уровне называются экосистемами, и экология, несомненно, является биологией экосистем".

Иное мнение у географов: они считают, что раз экология объединяет большой набор природных наук, то ею должны заниматься геоэкологи.

Однако вряд ли можно согласиться с мнениями и биологов, и географов. В современном обществе начала ХХI в. экология стала больше, чем наука. Она стала своего рода идеологией современного развитого постиндустриального общества, что, кстати, очень вредит экологии как науке и ведёт к различного рода спекуляциям.

Поэтому при рассмотрении экологии нельзя забывать об этих двух тенденциях: рассматривать экологию как научное обоснование программных целей различных политических партий, спекулирующих на борьбе за охрану окружающей среды, или всё же рассматривать экологию как науку, функционирующую на стыке нескольких естественных наук и позволяющую обеспечить рациональное поведение современного человека в окружающем его мире с учётом проблем взаимодействия промышленного производства и природы. В качестве характерного примера можно привести точку зрения видного американского эколога Юджина Одума, согласно которому экология имеет дело специально с биологией групп организмов и функциональными процессами на земле, в океане и пресных водах, вследствие чего лучше рассматривать её как науку о структуре и функциях природы. Существует и более обобщающая позиция, согласно которой содержание науки экологии составляет совокупность всех проблем взаимодействия общества и природы, взятая в их научном отражении. По этому поводу можно привести следующее замечание советского эколога С. С. Шварца, который писал, что экология, возникшая более 100 лет назад как учение о взаимосвязи "организм – среда… на наших глазах становится теоретической основой поведения человека индустриального общества в природе".

Первым трудом по экологии следует считать работу Чарльза Дарвина «Происхождение видов» (1859 г). Сформулированный им вывод о существующей в природе постоянной борьбе за существование принадлежит к числу центральных положений экологии. В 1866 г. вышел в свет фундаментальный труд немецкого зоолога Эрнста 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. В качестве самостоятельной науки экология сформировалась к началу 20 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.

Истинное значение экологии начали сознавать лишь на закате 20 века, когда возрастание численности населения планеты и резко усилившееся воздействие человека на природную среду, приведшее к ее деградации, поставили со всей остротой вопрос быть или не быть человеческой цивилизации.

В 1910 г. на III Ботаническом конгрессе в Брюсселе учеными был поставлен вопрос о разделении экологии на два отдела: экологию особей (аутэкологию) и экологию сообществ (синэкологию). В 20 в. увеличивалось количество экологических исследований, что привело к дальнейшей дифференциации знаний по экологии плоть до узкоспецифических направлений. Сегодня экология подразделяется на несколько научных дисциплин, главными из которых можно считать:

– общую экологию (аутэкология, синэкология, демэкология, экология растений, экология животных, биогеоценология, учение о биосфере и т.д.),

– геоэкологию (экология суши, пресных вод, моря и т.п.);

– экологию человека (экология города, народонаселения);

– социальную экологию (экология личности, культуры и т.п.);

– прикладную экологию (промышленная экология, медицинская экология, сельскохозяйственная экология).

Связь с другими науками. Экология использует для своего развития данные самых разных дисциплин. Она тесно переплетается с целым рядом смежных наук: биологией (ботаникой, зоологией, генетикой), географией, геологией, физикой, химией, математикой, медициной, агрономией, архитектурой и многими другими. Сегодня экология перестала быть чисто естественной биологической наукой, это – комплексная социоестественная наука.

Важная стратегическая задача экологии заключается в том, чтобы 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 окружающей природной среды, без чего невозможно нормальное существование всего ныне живущего на Земле и жизни как таковой в перспективе.

Экологические факторы окружающей среды. Организм является начальной, основной единицей обмена веществ, именно с организма и начинается цепочка взаимоотношений живой материи. Существует глубокая связь между организмом и окружающей средой. Средой называется комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Существует значительное разнообразие слова «среда» в зависимости от степени конкретизации понятия.

Наряду с термином «среда обитания» используются также понятия «экологическая среда», «местообитание», «окружающая среда», «окружающая природная среда», «окружающая природа» и др. Четких различий между этими терминами нет, но на некоторых из них следует остановиться. В частности, под популярным в последнее время термином «окружающая среда» понимается, как правило, среда, в той или иной (в большинстве случаев в значительной) мере измененная человеком. К ней близки по смыслу «техногенная среда», «антропогенная среда», «промышленная среда».

Природная среда, окружающая природа - это среда, не измененная человеком или измененная в малой степени. С термином «местообитание» обычно связывается та среда жизни организма или вида, в которой осуществляется весь цикл его развития.

Влияние среды на организмы обычно оценивают через отдельные факторы (лат. делающий, производящий). Под экологическими факторами понимается любой элемент или условие среды, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями, или адаптациями. За пределами приспособительных реакций лежат летальные (гибельные для организмов) значения факторов.

Экологические факторы весьма разнообразны, имеют разную природу и специфику действия, они могут быть необходимы для организмов или, наоборот, вредны для них, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Чаще всего факторы делят на три группы.

Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, влияющие на живые организмы (свет, температура, радиация, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, рельеф местности и т.д.).

Биотические факторы – это формы воздействия живых существ друг на друга.

Антропогенные факторы – факторы, которые возникают в ходе непосредственного (прямого) воздействия человека на природу.

Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общий характер их воздействия на организм.

Правило географического оптимума. Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или максимальных его значения, когда жизненная активность организма угнетается, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения, переходящие в критические точки, за которыми существование невозможно (рис. 1).

Рисунок 1 – Механизм действия экологических факторов.

К зоне оптимума обычно приурочена максимальная плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковы. Для одних они имеют значительный диапазон. Такие организмы относятся к группе эврибионтов (греч. эури - широкий; биос - жизнь). Организмы с узким диапазоном адаптации к факторам называются стенобионтами (греч. стенос - узкий). ажно подчеркнуть, что зоны оптимума по отношению к различным факторам различаются, и поэтому организмы полностью проявляют свои потенциальные возможности в том случае, если весь спектр факторов имеет для них оптимальные значения.

Диапазон значений факторов (между критическими точками) называют экологической валентностью. Синонимом термина валентность является толерантность (лат. толеранция - терпение), или пластичность (изменчивость). Зона оптимума и экологическая валентность обычно шире у теплокровных организмов, чем у холоднокровных.

ПРАВИЛО ЛИМИТИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ. Сущность этого правила заключается в том, что фактор, находящийся в недостатке или избытке (вблизи критических точек) отрицательно влияет на организмы и, кроме того, ограничивает возможность проявления силы действия других факторов, в том числе и находящихся в оптимуме. Например, если в почве имеются в достатке все, кроме одного, необходимые для растения химические элементы, то рост и развитие растения будет обусловливаться тем из них, который находится в недостатке. Все другие элементы при этом не проявляют своего действия.

АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР. Своей деятельностью человек способен изменять силу действия и число лимитирующих факторов, а также сужать или расширять границы оптимальных значений факторов среды.

Сокращение численности популяций. Животные, птицы, насекомые гибнут на дорогах под колесами автотранспорта, при проведении полевых работ. Перелетные птицы сгорают в газовых факелах, где сжигают отходящие газы при добыче нефти. Животные гибнут при разливах нефти, на проводах т опорах линий электропередач, в рыболовных сетях. Газообразные отходы вызывают ожоги, гибель растений. Соединяясь с водой, образуют кислоты, и, выпадая в виде «кислотных дождей», снижают плодородие почвы, подавляют жизнедеятельность бактерий, снижают численность дождевых червей. Загрязняющие вещества влияют на эмбрионы, развивающиеся зародыши, отравляя их, вызывают уродства и ненормальности в развитии организма, нарушение функций нервной системы, половых желез и органов. Изменяются половая и возрастная структура популяции; численность сокращается до таких пределов, что затрудняет поиск брачных партнеров. Из-за загрязнения среды нарушаются циклы размножения, уменьшается количество беременных самок, число детенышей в помете, растет смертность новорожденных. Распадается ареал вида, сокращаются площади местообитания, изолируются мелкие островки обитаний.

Воздействие на характер функционирования систем. Некоторые экосистемы и даже их крупные блоки (например, степи, прерии) человеком практически уничтожены. В других нарушены свойственные им процессы, принципы и закономерности функционирования:

1) цепи питания и экологические пирамиды. В природных экосистемах на высоких звеньях цепей питания не бывает большой продукции, биомассы, численности организмов. Человек нарушил этот принцип по отношению как к своей популяции, так и к другим видам, особенно сельскохозяйственным, что стало возможным благодаря присвоению и вложению в системы дополнительной энергии (например, при внесении удобрений).

Нарушение правил экологических пирамид вызывает изменения в круговоротах веществ, накопление отходов и загрязнение среды. В качестве примера можно привести животноводческие комплексы с их экологическими проблемами.

2) изменение границ экологических ниш организмов. Вследствие выравнивания местообитаний (земледелие, урбанизация, опустынивание и др.) увеличивается сближение ниш близких в экологическом отношении видов. Как следствие, усиливается конкуренция и активизируется правило конкурентного исключения. Конечный результат – обеднение видового состава сообществ и расширение возможностей для внедрения в экосистемы несвойственных им видов.

3) воздействие на динамику экосистем. Осушение болот, рубка лесов, пожары и другие виды антропогенной деятельности разрушают или нарушают конечные (климаксные) стадии экосистем, заменяют их промежуточными сообществами.

4) обеднение генофонда. Сокращение числа видов уменьшает сложность экосистемы; выпадение одних видов приводит к вспышке численности других; разрушаются межвидовые отношения: хищник - жертва, опылитель - опыляемое растение, симбиотические связи.

5) сокращение территорий, занимаемых естественными экосистемами. Ныне 9-12 % поверхности суши распахано, 22-25 % составляют полностью или частично окультуренные пастбища.

Экологические системы. Потоки вещества и энергии.

Биосфера состоит из множества экологических систем, которые являются ее структурными единицами. Под экологической системой (экосистемой) понимают совокупность совместно обитающих организмов, абиотических факторов их окружения и особенностей их взаимодействия на разных уровнях. Термин предложен А.Тенсли в 1935 г.

Некоторые авторы усматривают различие в терминах «экосистема» и «биогеоценоз». Отличие заключается в том, что в биогеоценозах обязательно наличие в качестве основного звена растительного сообщества (фитоценоза), экосистемы могут и не иметь растительное звено.

По В.Н.Сукачеву, биогеоценоз – совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений – атмосферы, горной породы, гидрологических условий, растительности, животного мира, микроорганизмов и почвы. Биогеоценоз состоит из биоценоза (биома) – организованная группа взаимосвязанных популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, живущих совместно в практически одних и тех же условиях среды, и биотопа – пространства с более или менее однородными условиями, которое занимает биоценоз.

экосистема = биоценоз + биотоп (экотоп)

Границы биогеоценоза совпадают с границами растительного сообщества, являющегося его основой. Биогеоценоз функционирует как целостная, самовоспроизводящаяся и саморегулирующаяся система. В состав биогеоценоза входят следующие компоненты:

1. Неорганические вещества, включающиеся в круговорот (соединения углерода, азота, кислорода, вода, минеральные соли и пр.);

2. Органические вещества (белки, НК, углеводы, липиды);

3. Климатические факторы (температура, давление, освещенность и др.);

4. Живые компоненты:

а) продуценты – автотрофные организмы, производящие первичную продукцию (зеленые растения);

б) консумент, детритофаги – гетеротрофные организмы, потребители готового органического вещества (первичные – растительноядные животные, вторичные – плотоядные животные и т.д.);

в) редуценты (разрушители, деструкторы) – гетеротрофные организмы, разрушающие органические соединения отмерших организмов до неорганических, которые вновь используются продуцентами для построения своего тела (обычно грибы и микроорганизмы).

Взаимосвязи между организмами можно разделить на межвидовые и внутривидовые. Межвидовые отношения, которые оказывают наибольшее влияние на организацию экосистем, обычно классифицируются по “интересам”, на базе которых организмы строят свои отношения:

1) пищевые (трофические) связи - формируют трофическую структуру экосистемы, которую мы уже рассмотрели ранее; помимо отношений, когда одни организмы служат пищей другим, сюда же можно отнести отношения между растениями и насекомыми-опылителями цветов, конкурентные отношения из-за похожей пищи и др.; это самый распространенный тип связей;

2) топические связи (от греческого слова топос - место) - основаны на особенностях местообитания, например, отношения между деревьями и гнездящимися на них птицами, живущими на них насекомыми, отношения между организмами и их паразитами и т.п.;

3) форические связи (от латинского слова форас - наружу) - отношения по распространению семян, плодов и т.п.;

4) фабрические связи (от латинского слова фабрикато - изготовление) - использование растений, пуха, шерсти для постройки гнезд, убежищ и т.п.

Трофическую структуру экосистемы можно изобразить в виде разного рода экологических пирамид. Наиболее показательна ПИРАМИДА ЭНЕРГИИ, которая наглядно иллюстрирует “правило десяти процентов”. Только около 10 % потребляемой энергии животные всех уровней тратят на построение своего тела, остальные 90 % тратятся на процессы жизнедеятельности (обмен веществ, рост, дыхание, размножение, выделение).

ПИРАМИДА БИОМАССЫ строится аналогичным образом. Она характеризует общую массу живого вещества в сухом весе на каждом трофическом уровне экосистемы. Такая пирамида хорошо характеризует трофическую структуру экосистемы для оценок урожаев на корню. Для разных экосистем эта пирамида может выглядеть по-разному. Пирамиды биомассы экосистем суши обычно характеризуются такой же формой, как и пирамида энергии. То есть количество биомассы на каждом последующем уровне такой экосистемы как правило меньше, чем на предыдущем уровне. Но это правило уже не является абсолютным. Так для экосистем моря как правило характерна перевернутая пирамида биомассы, основание которой меньше, чем последующие ступени. Так общая биомасса всех потребителей фитопланктона может быть существенно выше, чем масса самого фитопланктона, совокупная масса крупных рыб может оказаться меньше массы мелких рыб. Такая ситуация вообще характерна для экосистем с очень мелкими продуцентами и крупными консументами. Причина этого - резкие различия в продолжительности жизни и продуктивности организмов на разных уровнях. Например, время жизни фитопланктона оценивается несколькими днями или даже часами, в то время как крупные животные могут десятилетиями накапливать массу. В то же время фитопланктон имеет большую продуктивность, но вся продукция достаточно быстро выедается, так что урожай на корню фитопланктона в каждый момент времени оказывается сравнительно малым. При всем этом через трофический уровень продуцентов проходить гораздо больший поток энергии, чем через уровни консументов. То есть пирамида энергии имеет обычную форму.

Численность организмов на каждом трофическом уровне экосистемы также можно изобразить в виде ПИРАМИДЫ ЧИСЛЕННОСТЕЙ. Однако такая пирамида не очень показательна. Ввиду существенного разброса численности организмов на разных уровнях ее трудно изобразить в одном масштабе. Форма ее может быть самая различная. Например, для морских экосистем основание пирамиды должно отражать огромное количество организмов фитопланктона. Луговые продуценты (травы) также достаточно многочисленны, по крайней мере в сравнении с количеством продуцентов леса, представленных главным образом деревьями и кустарниками. Основной недостаток пирамиды численностей в том, что на одном трофическом уровне могут находиться особи, существенно различающиеся по размерам. Однако в любом случае эта пирамида свидетельствует о том, что количество организмов уменьшается от основания к вершине. Правда, это правило не относится к детритным пищевым цепям, то есть к редуцентам, представленным главным образом микрооорганизмами.

Коралловый риф Пелагиаль океана

П – продуценты, РК - растительноядные консументы, ПК – плотоядные консументы, Ф – фитопланктон, З – зоопланктон.

Пирамиды биомассы некоторых сообществ (по Ф.Дре, 1976 г.)

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭКОСИСТЕМАХ

В биоценозах постоянно происходят изменения в состоянии и жизнедеятельности их членов и соотношении популяций. Изменения можно свести к двум типам: циклическим и поступательным.

Циклический тип изменения сообществ отражает суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявления эндогенных (внутренних) ритмов организмов.

Поступательные изменения в сообществе приводят в конечном итоге к смене этого сообщества другим, с иным набором господствующих видов. Причиной подобных смен могут быть внешние по отношению к биоценозу факторы, длительное время воздействующие в одном направлении, например, иссушение болот.

Изменение внешних условий среды влияет на некоторые виды неблагоприятно, другие же виды могут от этого выиграть. Подчас изменившиеся условия позволяют включиться в экосистему новым видам. В целом происходит так называемая сукцессия (от лат. succesio - преемственность): последовательная необратимая смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или воздействия. Различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичной сукцессией называется процесс развития и смены биоценозов на незаселенных ранее участках, начинающийся с колонизации последних. Известный пример – постепенное обрастание голой скалы с развитием в конечном итоге на ней леса.

Вторичной сукцессия происходит на месте сформировавшегося ранее биоценоза после его нарушения по какой-либо причине (пожар, вырубка леса, засуха и т.п.). Например, в Беларуси уничтожение лесов в годы войны и последующие вырубки привели к замене коренных лесов (сосновых, дубовых, еловых) менее ценными (березовыми, осиновыми, сероольховыми).

Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность, и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему – климаксовой. В такой экосистеме существует равновесие между связанной ею энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание жизнедеятельности своих компонентов.