Лекция №1. Понятие экологии. Учение о биосфере.

1.1 Понятие экологии, ее междисциплинарная роль в современных условиях.

      Экология – молодая наука, но древнейшая отрасль человеческого знания. Рождение экологии как самостоятельной науки произошло в середине XIX века. В 1866 году немецкий биолог Эрнест Геккель (1834-1919) назвал экологией один из разделов биологии – “науку об отношении организмов к окружающей среде”. Буквальный перевод введенного Геккелем термина “экология” с греческого языка означает “наука о доме”: “экос” – “дом, родина”; “логос” – “наука, учение”. Классическим определением экологии как науки считается следующее:
     экология – наука о закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях между собой и с окружающей их внешней средой.

Эрнест Геккель

     Изначально экология развивалась как часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой и т.д. Постепенно она вышла за рамки биологии и приобрела междисциплинарное значение, то есть стала наукой, стоящей на стыке целого ряда наук, неразрывно связанной с достижениями этих наук, активно использующей свойственные им методы, понятия и термины. Такое “размывание” понятия “экология”, потеря четких границ ее с другими науками привели к возникновению множества разделов и направлений экологии. Современная экология делится на ряд основных блоков:
     - общая экология, изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды.

     Она включает в себя следующие основные разделы:

1. Экологию растений (взаимоотношения растений и абиотической среды),
2. Экологию животных (взаимодействие животных и факторов среды),
3. Аутэкологию (устанавливает пределы существования особи),
4. Демэкологию (изучает естественные группировки особей одного вида, т.е. популяции),
5. Эйдэкологию (экология видов),
6. Синэкологию (экология сообществ).
7. Геоэкология изучает влияние геологических процессов на состояние биосферы и ее компонентов.

     - социальная экология изучает взаимоотношения в системе “человеческое общество – природа”, а один из ее разделов – экология человека – рассматривает взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающей средой. Подразделяется на экологию человека (антропоэкология), экологию личности, экологию культуры.

     - инженерная экология занимается исследованием природно-технических геосистем, формирующихся в результате взаимодействия природы и человеческого общества. Инженерная экология, опираясь на нормы жизнеобеспечения растительного и животного мира, определяет эффективные способы и средства охраны окружающей природной среды. Основной задачей инженерной экологии является создание таких методов и средств формирования и управления природно-техническими геосистемами, которые обеспечивали бы их функционирование, не нарушая механизмов саморегуляции объектов биосферы и естественного баланса природообразующих геосфер.

     Взаимоотношения между организмами и средой могут быть самыми разнообразными, но, несмотря на это специфика «экологического» подхода заключается в том, что изучаются главным образом те их стороны, которые обеспечивают саму возможность существования – выживание, развитие и размножение.
     Для экологии характерен так называемый системный подход , так как организмы (или сообщества организмов) образуют со средой обитания единство, в пределах которого осуществляется преобразование (трансформация) веществ и энергии.
      Системный подход – это направление в методологии познания объектов как систем.
     Под системой понимается совокупность элементов, находящихся в тесных отношениях друг с другом и формирующих целостное образование. Отдельные элементы, из которых состоит система, вместе с тем не определяют самой ее структуры, хотя и образуют ее. Структура определяется способом взаимодействия элементов.

      Основные принципы системного подхода:

• несводимость свойств отдельных составляющих к свойствам целой системы (свойство целостности);
• принципиальная возможность описывать систему, исходя из знания характера взаимоотношений ее элементов;
• каждый отдельный элемент можно представить как отдельную систему, а с другой – как составляющий элемент другой системы, но более высокого уровня организации, т.е. как подсистему (свойство иерархичности соподчинения элементов).
• не существует абсолютно изолированных систем – каждая вступает в определенные взаимоотношения с окружающей средой (свойство открытости).

     Для описания сложных экосистем необходимо строить множество моделей. Построение обобщенных моделей, отражающих все факторы и взаимосвязи в системе, является центральной задачей системного анализа.
     Модель – это вспомогательный объект, который заменяет реальный в процессе познания. Выделяют несколько типов моделей: материальные (физические) и абстрактные (вербальные и схематические); статические и динамические. В экологии абстрактные (математические) модели целесообразно делить на модели популяционного, биоценотического и экосистемного уровней.

     Моделирование – это разработка, исследование модели и распространение модельной информации на оригинал. К модели предъявляются следующие требования:

• отражать особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания;
• должна соответствовать оригиналу.

     Этапы процесса моделирования:

1. Качественный анализ – постановка задачи и выбор вида модели,
2. Математическая реализация – построение теоретической концепции на основе математического аппарата, вывод общей зависимости,
3. Верификация – проверка соответствия модели оригиналу,
4. Изучение модели – экспериментирование с моделью и интерпретация модельной информации для выявления новых закономерностей и возможности прогнозирования ее состояния.

     В целом, с позиции системного подхода современной экологией можно считать науку, изучающую экосистемы, их состав, структуру, функционирование и эволюцию.

1.2 Биосфера

1.2.1 Учение о биосфере

     Термин “биосфера” образован от греческих слов “биос” – жизнь и “сфера” – шар. Впервые этот термин был введен в научную литературу в 1875 году австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831-1914).

Эдуард Зюсс

     Э. Зюсс понимал под “биосферой” пространство на поверхности Земного шара, где обитают живые организмы. Как научное направление, учение о биосфере сформировалось в первой четверти XX века в России. Его основоположником стал великий русский ученый академик Владимир Иванович Вернадский (1863-1945).

В.И. Вернадский

     Классический труд В. И. Вернадского “Биосфера” был опубликован в 1926 году.

     Биосфера – сложная многокомпонентная система, включающая всю живую и неживую природу, т.е. область существования живого вещества.
     Биосфера сформировалась в результате длительной эволюции под влиянием следующих естественных факторов: солнечной энергии, силы гравитации, тектонических сил, химической энергии (окислительно-восстановительные процессы) и биогенной энергии (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий, усвоение и окисление пищи у животных, размножение и продуктивность у биомассы).

     Структура биосферы :

1. Атмосфера (от греч. “атмос” – пар) – газовая оболочка Земли (до высоты 20-25 км).
2. Гидросфера (от греч. “гидора” – вода) – водная оболочка Земли (до максимальной глубины 11.022 км – Марианская впадина на дне Тихого океана, а также 1-2 км донных отложений).
3. Литосфера (от греч. “литос” – камень) – каменная оболочка Земли (до глубины ? 4.5 км).

     Пределы биосферы ограничиваются физическими условиями существование живых организмов. По современным представлениям существования жизни обусловлено границами температур от +160 до –250 ° С и давлением от 0,001 до 3000 атм.
     Биосфера является мощной геологической силой, формирующей равновесие газов, жидкой и твердой фаз Земли и поставляющей огромную часть свободной энергии для усиления техносферы. Согласно учению В. И. Вернадского, биосфера имеет сложную внутреннюю структуру и состоит из семи компонентов :

1. Живое вещество– совокупность всех живых организмов, населяющих планету. Характеризуется массой, химическим составом, энергией.
2. Косное вещество– геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими (магматические горные породы, минералы).
3. Биокосное вещество– продукты взаимодействия живого и косного веществ (океанические воды, почва).
4. Биогенное вещество – геологические образования, созданные деятельностью живых организмов (каменный уголь, нефть, известняки).
5. Радиоактивное вещество – химические элементы, находящиеся в состоянии радиоактивного распада.
6. Вещество космического происхождения метеориты).
7. Рассеянные атомы .

     Особенность биосферы – биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении живых организмов.
     Чем же отличаются живые организмы от остальных (косных) природных веществ? Отвечая на этот вопрос, обычно говорят, что живые существа - это те, которые могут размножаться, двигаться и т.д. Это утверждение не полностью отражает суть отличия живого вещества. Основной отличительной способностью живого от неживого вещества является способ использования энергии.
     Живое существо - это уникальный природный объект, обладающий способностью принимать и использовать энергию, идущую из Космоса. Улавливая энергию, прежде всего в виде солнечного света, живой организм может удерживать ее в качестве энергии сложных органических соединений, передавать или трансформировать в механическую, химическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные (неживые) вещества не обладают возможностями столь сложных преобразований энергии. Обычно они принимают энергию и рассеивают ее в окружающую среду.
     Вторая особенность живых организмов - их уникальная способность к самовоспроизведению. Производство новых идентичных по структуре и функционированию поколений, является не только копированием, но и характеризуется изменчивостью признаков из поколений в поколение. А это приводит к гибкой адаптивности и способности приспособления живых организмов к условиям обитания в процессе эволюции.
     Высокая активность живого вещества, обусловленная его исключительными свойствами, предопределяет свойства биосферы , наличие которой превращает планету Земля в уникальное небесное тело:

1. Биосфера – централизованная система. Центральным звеном биосферы являются живые организмы (живое вещество).
2. Биосфера – открытая система. Ее существование обеспечивается поступлением энергии извне – прежде всего, солнечной энергии.
3. Биосфера – саморегулирующаяся, обладающая динамическим равновесием система . Это свойство обычно называют гомеостазом , понимая под ним способность системы, противостоять изменениям, возвращаясь в исходное состояние благодаря действию ряда механизмов. В основе гомеостаза лежит принцип Ле Шателье-Брауна : при внешнем воздействии на систему, выводящем ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект воздействия ослабляется.
4. Биосфера – система, характеризующаяся большим биологическим разнообразием. Разнообразие форм жизни обеспечивает последовательное использование выделяемых в среду продуктов жизнедеятельности организмов, дает возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев системы другими и т.д. Поэтому разнообразие является основным условием устойчивости любой экосистемы (и биосферы как глобальной экосистемы). Наличие лишь одной формы жизни предопределяет ее конечность вследствие исчерпания ресурсов и загрязнения среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично.
5. Биосфера характеризуется наличием механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговороту веществ и наличию неисчерпаемого источника энергии (Солнца) обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.

1.3 Свойства и средообразующая роль живого вещества

     Живое вещество составляет самую незначительную часть биосферы: его масса ( ~ 2.4·10¹² т) соответствует примерно одной двухтысячной (1/2000) массы атмосферы – самой легкой оболочки Земного шара; объем живого вещества составляет приблизительно одну полутора миллионную (1/1500000) объема всей биосферы. Тем не менее, именно живое вещество играет основополагающую роль в глобальных биосферных процессах. Признание живого вещества самой мощной геологической силой планеты составляет сущность учения В.И. Вернадского о биосфере.
     Он писал: “На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые вместе”. Такое исключительное положение живого вещества в биосфере обусловлено следующими уникальными свойствами живого вещества :

1. Чрезвычайно высокая скорость протекания химических реакций – в сотни и тысячи раз выше, чем в неживой природе. Она обусловлена наличием внутри живых организмов мощных биологических катализаторов – ферментов. Пример: количество пищи, ежедневно потребляемое некоторыми видами гусениц, в 100-200 раз превышает их собственный вес.
2. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство . Она обусловлена быстрым размножением и способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность собственного тела или образуемых им сообществ. Пример: площадь листьев растений, занимающих территорию в 1 га, может составлять до 10 га и более.
3. Способность как к пассивному (под действием силы тяжести и т.п.), так и к активному (против течения, против силы тяжести, против ветра) движению .
4. Высокая приспособительная способность к различным условиям внешней среды – к жизни в воде, в воздухе, в почве и т.д. Некоторые микроорганизмы способны жить в вакууме, при очень низких (до -273 К) или очень высоких (до 180° С) температурах.
5. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (т. е. включение в круговороты веществ).
6. Высокая скорость обновления живого вещества . В среднем для биосферы цикл полного обновления составляет ~ 8 лет.

     Перечисленные уникальные способности живого вещества служат основой взаимной адаптации живых организмов и среды, в которой они обитают. “Организм, - писал Вернадский, - имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему”. Способность живых организмов приспосабливать к себе окружающую среду выражается в их воздействии на среду, изменяющем ее основные характеристики (состав, свойства и т.п.) и квалифицируется как средообразующая функция (роль) живого вещества в биосфере .

     Средообразующая функция живого вещества является суммарной, то есть складывается в результате совместного действия ряда функций :

1. Энергетическая - заключается в связывании и запасании солнечной энергии в результате процесса фотосинтеза, передаче ее по трофическим цепям, рассеивание (в виде тепла).
2. Газовая - заключается в способности изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Это относится, прежде всего, к накоплению в атмосфере ее основных газовых компонентов – кислорода (в результате процесса фотосинтеза) и азота (в результате процессов разложения органики), поддержанию баланса O₂ и CO₂ .
3. Концентрационная - заключается в способности организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы (углерод, водород, азот, кальций, магний, фосфор и многие др.), повышая их содержание по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Отмирание живых организмов приводит к накоплению этих элементов в литосфере вплоть до образования залежей полезных ископаемых – угля, нефти, торфа, известняков, металлических руд и т.д.
4. Окислительно-восстановительная - заключается в интенсификации природных процессов окисления (благодаря обогащению среды кислородом и деятельности аэробных бактерий) и восстановления (прежде всего, благодаря разложению органических веществ анаэробными бактериями). В результате образуются, например, болотные железные руды.
5. Деструктивная - заключается в разрушении живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности как останков органического вещества, так и косных веществ. Главную роль здесь играют организмы-редуценты.
6. Транспортная - заключается в переносе вещества и энергии в результате активного движения живого вещества. Связана с размножением, ростом и перемещением (миграцией, кочевкой и т.п.) живых организмов.
7. Рассеивающая - эта функция противоположна концентрационной. Проявляется через трофические цепи и транспортную функцию живого вещества: например, рассеивание вещества происходит при выделении экскрементов, гибели организмов в процессе миграции и т.д.
8. Информационная - заключается в накоплении живыми организмами и их сообществами определенной информации, закреплении ее в наследственных структурах и передаче последующим поколениям.