170109 (Основи екології)

1. Роль екології як науки на сучасному етапі розвитку

У ХХ ст. людина отримала можливість активно впливати на довкілля та користуватись раніше недоступними для неї ресурсами. Виникла ідея, що людина – хазяїн природи, а природа – невичерпне джерело потрібних їй ресурсів.

Розвинулась екологічна криза, яку спричинили:

а) стрімка зростаюча чисельність населення;

б) поява атомної енергетики;

в) розробка та створення озброєння нового типу, здатного знищити все живе;

г) супутникові та комп’ютерні технології.

Екологія першої половини нашого століття була наукою, що тільки пояснювала причини природних явищ та їх механізм. Сучасна екологія – наука, що прогнозує та конструює результати того чи іншого впливу людини на природу.

Для того, щоб вийти із еко. кризи треба ефективніше виконувати такі завдання:

• встановлення закономірностей взаємозв’язків між організмами, їхніми угрупованнями та умовами довкілля;

• дослідження структури та функціонування угруповань організмів; розробка методів визначення екологічного стану природних і штучних угруповань;

• спостереження за змінами в окремих екосистемах та біосфері в цілому, прогнозування їхніх наслідків;

• створення бази даних та розроблення рекомендацій для екологічно безпечного планування господарської і соціальної діяльності людини;

• застосування екологічних знань у справі охорони навколишнього середовища та раціонального використання природних ресурсів.

2 Основні методи екологічних досліджень

Учені-екологи застосовують різноманітні засоби і методи досліджень. Методи екологічної індикації дають можливість визначити стан і властивості екосистем за видовим складом та співвідношенням між собою певних (еталонних) груп видів. Зокрема, для проведення постійних спостережень широко застосовують метод екологічного моніторингу, про який розповідалося раніше. Він буває локальним, регіональним чи глобальним (відповідно спостерігають за змінами у певній місцевості, регіоні або в біосфері у цілому). Особливо важливий моніторинг еталонних заповідних ділянок ландшафтів. Він дає змогу спостерігати за функціональним (продуктивність, колообіг речовин, потік енергії) та структурними (видове різномаїття, чисельність видів тощо) змінами у певних екосистемах. Моніторинг здійснюють за допомогою автоматичних та дистанційних пристроїв. Це дає змогу діставати інформацію з ділянок, на яких проводити безпосередні спостереження складно або неможливо. За допомогою математичного моделювання можна встановити взаємозв’язки організмів в екосистемах (кормові, конкурентні тощо), залежність змін чисельності популяцій та їхньої продуктивності від дії екологічних факторів та ін. математичні моделі дають змогу прогнозувати можливі варіанти перебігу подій, виділяти окремі зв’язки, комбінувати їх (наприклад, яку кількість особин промислових тварин можна вилучати з природних популяцій, щоб не знизити їхньої густоти, передбачати спалахи чисельності шкідників, наслідки антропогенного впливу на окремі екосистеми та біосферу в цілому).

3 Структура сучаних екологічних знань

Перетворення екології з біологічної науки з чітко визначеним предметом дослідження (системи організмів та їх зміни в часі й просторі) на складний конгломерат багатьох царин знань значною мірою зумовлене складністю та різноманітністю об'єктів її зацікавлення, великою кількістю взаємозв'язків між ними і незліченністю їхніх характеристик. Комплексність і першорядність проблем, які покликана розв'язати екологія, зумовлюють її прискорений розвиток та ускладнення. Тому схеми структури сучасної екології є суто ілюстративними, а деякі з них містять десятки прямокутничків і багато стрілочок, нагадуючи радіоаматорам схеми телевізорів чи радіоприймачів тих часів, коли вони складалися не з блоків, а з окремих ламп, конденсаторів, резисторів і провідників. Ми ж обмежимося наведеною на рис. спрощеною структурною схемою екології, де зазначено приблизну кількість її вужчих підрозділів. Кожен з них цікавий сам по собі, але важливіша комплексність, поєднання зусиль учених з багатьох наук і царин досліджень, так з відображенням мінімальної кількості внутрішніх зв'язків та взаємодій само, як і застосування засобів, методів та досягнень інших наук про природу — фізики, хімії, біології, кібернетики, математики та ін. Екологія нині отримує більше моральну, ніж фінансову підтримку. На неї не зважали в колишньому СРСР, проте й на Заході було чимало тих, хто зараховував екологів мало не до "запеклих ворогів" технічного й технологічного прогресу. Лише кілька великих катастроф танкерів з дуже серйозними шкідливими екологічними наслідками 50-х і початку 60-х років минулого століття обурили громадськість розвинених країн такою мірою, що уряди вперше створили екологічні комітети або міністерства, змусили спрямувати частину бюджету на "природоохоронні заходи". На ці роки припадає створення перших впливових міжнародних екологічних організацій, прийняття різноманітних угод і конвенцій.

Нині екологія переживає дуже складний і суперечливий період свого розвитку. Не викликає сумнівів необхідність "повороту" до проблем довкілля всіх природничих і гуманітарних наук. Проте не можна перетворювати екологію на метод або ж тему для балачок. Буде помилкою "розчинення" її в безлічі спеціалізованих наукових напрямків. Пора відмовитися від фінансування теоретичних і практичних екологічних досліджень у межах "старих" наук. Екологія повинна стати одним з лідерів серед наук XXI століття, а роззброєння і дотримання екологічних законів — основою всіх форм діяльності людини. Це єдиний шанс виживання людства.

Рис. Спрощений варіант структури сучасної екології

4 Екосистеми

Екосистема—основна одиниця біосфери, яка є об”єктом вивчення екології. Цей термін запровадив англ біолог Тенслі у 1935р. Екосистема—складний природний комплекс живих істот, що взаємодіють з неорганічним середовищем та знаходяться в матеріально-енергетичній залежності від неї. В структурі кожної екосистеми можна виділити 4 функціональні компоненти: 1-абіотичне оточення, 2-комплекс автотрофних організмів, 3-комплекс гетеротрофних організмів, 4-комплекс організмів, які розкладають орган. сполуки до мінерального стану. Види екосистем за масштабами поділяються на мікро-, мезо-, макроекосистеми. За ступенем трансформації людської діяльності екосистеми поділяються на природні, антропогенні та антропогенно-природні.

5. Екологічні фактории

Екологічні фактори – всі складові (елементи) природного середовища, які впливають на існування й розвиток організмів і на які живі істоти реагують реакціями пристосування (за межами здатності пристосування настає смерть).

Сьогодні розрізняють десять груп екологічних факторів (загальна кількість – близько шістдесяти), об’єднаних у спеціальну класифікацію: за часом – фактори часу (еволюційний, історичний, діючий), періодичності (періодичний і неперіодичний), первинні та вторинні; за походженням (космічні, абіотичні, природноантропогенні, техногенні, антропогенні); за середовищем виникнення (атмосферні, водні, геоморфологічні, фізіологічні, генетичні, екосистемні); за характером (інформаційні, фізичні, хімічні, енергетичні, термічні, біогенні, комплексні, кліматичні); за об’єктом впливу (індивідуальні, групові, видові, соціальні); за ступенем впливу (летальні, екстремальні, обмежуючі, мутагенні, тератогенні); за умовами дії (залежні чи незалежні від щільності); за спектром впливу (вибіркової чи загальної дії).

За екологічною валентністю організми поділяють на: стенобіоти – з малою пристосованістю до змін середовища (орхідеї, форель, далекосхідний рябчик, глибоководні риби) та еврибіонти – з великою пристосованістю до змін довкілля (колорадський жук, миші, пацюки, вовки, таргани, очерет, пирій). У межах еврибіонтів і стенобіонтів залежно від конкретного фактора організми поділяють на евритермні та стенотермні (за реакцією на температуру), евригалінні й стеногалінні (за реакцією на солоність водного середовища), еврифоти та стенофоти (за реакцією на освітлення).

6. Популяції

Популяція — одне з основних понять екології — означає сукупність особин певного виду, які тривалий час (багато поколінь) живуть на певній території і вільно схрещуються між собою. Водночас певна популяція під впливом якихось чинників (зазвичай це природні бар'єри) відокремлена від територій інших аналогічних популяцій. Популяція сама по собі може підтримувати свою чисельність необмежений час.

З визначення випливає, що можна запропонувати певну ієрархію популяцій:

• елементарна, або локальна — означає найменшу сукупність, яка живе на невеликій однорідній ділянці (у певному лісі, ставку тощо);

• екологічна — складається з елементарних популяцій і займає вже значно більшу територію;

• географічна — охоплює велику сукупність особин одного виду на великій території з приблизно однаковими умовами.

Популяції характеризують параметрами:

1. Чисельність - загальна кількість особин в популяції.

2. Запас біомаси популяції.

3. Щільність - кількість особин на одиницю території (або об’єму простору).

4. Народжуваність - кількість нових особин за певний проміжок часу на одну особину.

5. Смертність - кількість померлих особин за певний проміжок часу.

6. Ріст популяції - співвідношення народжуваності та смертності.

Залежно від певних характеристик популяції її структуру підрозділяють за показниками:

1. Генетична структура властива популяціям, які мають дві або більше генетичних форм, що обумовлює генетичний поліморфізм популяції і збільшує її стійкість.

2. Статевої структури популяції - співвідношення особин різної статі. При генетичному контролі це співвідношення дорівнює 50×50. При впливі природного середовища воно змінюється в бік більшої смертності самців.

3. Вікова структура властива природнім угрупованням тварин та рослин, якщо вони не однолітні. В популяціях культурних рослин, в яких завдяки одночасному посіву вік особин однаковий, вікова структура не має значення.

4. Розмірна структура популяцій визначає відмінності особин за розмірами.

5. Просторова структура популяції визначає характер розміщення особин на теріторії ареалу.

Порівняно легко підрахувати чисельність популяції великих тварин на відкритих просторах (оленів у тундрі, дельфінів у морі тощо), але складніше це зробити для невеликих чи мікроскопічних Істот, які до того ж можуть вести нічне чи підземне (підводне) життя В цих умовах бажано виміряти середню густоту заселення І визначити тип І величину площі розселення Розрізняють кілька типів організації розташування особин у популяції випадкове (хаотичне) І впорядковане, рівномірне І групове (нерівномірне) тощо Найчастіше живі Істоти, які люблять "своїх", розташовуються групами (плямами) Відомо, що те саме стосується й людей Потяг до ком-пактування у них такий сильний, що є вже чимало міст з населенням понад 10 млн осіб, а населення міст -"рекордсменів" досягає 20 млн Численні дані про популяцію вчені збирають не для розваги ЦІ дані допомагають передбачити майбутнє популяції А тому треба знати все (не менше ніж повну чисельність), що так чи Інакше впливає на темпи розмноження, насамперед — розподіл особин за віком (демографічну "піраміду") Окрім кількості особин жіночої статі важливим параметром є плодючість, яку вимірюють коефіцієнтом народжуваності (кількістю нащадків). У деяких країнах він досягає 4, 5. Це означає, що щороку на 1000 громадян народжується 45 дітей. Часто плодючість характеризується кількістю дітей, яких у середньому народжує кожна жінка. У деяких країнах Західної Європи ця кількість менша двох. На противагу цьому в деяких слаборозвинених сільськогосподарських країнах Африки та Азії середня кількість дітей у жінок досягає 8 і більше.

Основи теорії динаміки популяцій

У сприятливих умовах популяція цілком успішно "виконує" найголовніше завдання живого: розмножуючись, більш-менш швидко нарощує свою чисельність.

Та це за сприятливих умов. Насправді конкуренти, вороги, несприятливі умови чи брак ресурсів здебільшого утримують чисельність популяції у певних межах. Вона чимось схожа на стиснену пружину, бо за найнезначнішого зменшення тиску зовнішніх чинників популяція стрімко, як спалах пороху, збільшується. Тому популяції більшості поширених видів комах, риб, дрібних птахів і ссавців мають дуже змінну чисельність.

Одним з основних завдань екології є передбачення змін стану популяцій, підрахунки їх чисельності у майбутньому. Саме цим займається підрозділ "Динаміка популяцій".

Та це не лише підрахунки, а й експерименти.

Якщо взяти одну парамецію (один з видів інфузорій) і дати їй можливість розмножуватися в колбі з теплою рідиною, де є достатньо їжі, то через 6 годин вона поділиться навпіл. Ще через 6 годин у колбі буде вже чотири інфузорії. Неважко підрахувати, що через три доби за незмінності темпу поділу і відсутності в колбі споживачів інфузорій їх у цьому штучному раю буде вже 4096. Математично кількість парамецій N у певний момент t з часу поміщення їх у колбу можна обчислити за формулою

N(t)=2t/T,

де Т — інтервал 6 год, t»T.