Основные понятия и термины (с пояснениями)

Экология — наука о взаимоотношениях и закономерностях взаимосвязей организмов и их систем между собой и средой их обитания (окружающей их средой), о круговороте веществ и потоках энергии, делающих возможной жизнь на Земле.

Предметом экологии является изучение совокупности и структуры связей между организмами и средой. В понятие «организмы» включаются микроорганизмы, растения, животные и человек. В зависимости от изучаемых вопросов и объектов экология классифицируется па ряд подразделений (наук).

Как уже отмечалось ранее, по происхождению термин «экология» означает науку о доме человека, доме в широком смысле — о населенном людьми мире. В последние десятилетия термин «экология» используется шире. Основываясь на разделах биологии, экология проникает в другие области и использует знания небиологических наук: химии, физики, наук о Земле, инженерных наук, математики, формирует и предъявляет новые требования к другим отраслям знаний.

В последнее время экология все больше находит применение и превращается из раздела биологии в своеобразную гинернауку, в комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, в так называемую мегаэкологию, т. е. «большую экологию» или «макроэкологию» (рис. 2.1). Она включает в себя комплекс не только естественных, но и технических и гуманитарных наук. Возникло более 50 различных отраслей (разделов) экологии: общая, глобальная, медицинская, географическая, химическая, радиационная, прикладная, инженерная, сельскохозяйственная, социальная, космическая, экология атмосферы, гидросферы, литосферы, большого города (технотопа), человека и т. д.

В настоящее время в экологической науке наибольшее развитие получили следующие направления:

• классическая {обги^ая) экология — изучает взаимодействие биологических систем с окружающей средой;

Рис. 2.1. Иерархия наук в естествознании:

I—VI — уровни знаний; V — объем научной информации о сложности систем; Т — время.

• • глобальная экология — единство и целостность биосферы как глобальной экосистемы, ее антропогенные изменения;
• • социальная экология — взаимозависимости и взаимосвязи в системе «общество — окружающая среда»;
• • геоэкология — антропогенные изменения природной среды;
• • экология человека — природная сущность человека, среда его обитания, экологические факторы здоровья с учетом действия физических, химических, биологических, информационных, социально-психологических и других факторов;
• • прикладная экология — связи техносферы, экосистем города и агроэкосистем между собой и с окружающей средой.

В последнее время интенсивно развивается новое направление в экологии — наноэкология, в которой рассматривается влияние наноматериалов и нанотехнологий на окружающую среду и человека.

В западной литературе и в ряде наших специальных биологических изданий термин «экология» часто употребляют для традиционного круга объектов и методов, а все, что связано с экологией человека, окружающей средой и охраной природы, называют наукой об окружающей среде (environmental science). В отечественной литературе оба этих понятия часто или используют как синонимы, или включают последнее в экологию.

Мегаэкология (большая экология, глобальная экология) междисциплинарная, межпредметная область знаний; комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин. Системно рассматривает взаимодействие природы, общества и техносферы, в том числе взаимодействие многокомпонентных живых систем (включая человечество как биологический вид и социум) с природными и искусственными факторами среды. Основным предметом макроэкологии являются взаимоотношения между обществом и природой, рассмотрение мировой эколого-экономической системы, материальных балансов между ее экологической и экономической подсистемами (по Т. А. Акимовой с изменениями).

Варианты представления структуры мегаэкологии показаны на рис. 2.2—2.4.

Рис. 2.2. Вариант представления (структуры) мегаэкологии.

(Л. Н. Блинов, 1979).

Рис. 23. Источники и слагаемые современной экологии (по В. В. Хаскину с изменениями).

Рис. 2.4. Подразделения современной экологии и их связи с другими дисциплинами

(по А. П. Кузьмину с изменениями)

В настоящее время используются и более традиционные формы представления современной экологии, основывающиеся на фундаментальных биологических науках, изучающих основные свойства жизни и не ограничивающихся отдельными группами организмов (рис. 2.5, а, слои по горизонтали), и на так называемых таксономических науках, изучающих определенные организмы (рис. 2.5, а, слои по вертикали).

Рис. 2.5. Экология в «слоеном пироге» биологии (Ю. Одум, 1975) (а); современное представление экологии как основополагающей науки об организации жизни (В. В. Горшков) (б).

Тем не менее следует отметить, что хотя приведенные выше (см. рис. 2.2—2.4) списки дисциплин (блоки знаний) названы структурой мегаэкологии, еще рано говорить о ней как о консолидированной научной системе. Но выражению Н. Ф. Реймерса (1994), экология «выросла из коротких штанишек, надетых на нее Э. Геккелем», но еще не удостоилась «нового костюма» — научного признания, соответствующего ее общественной значимости. Формирование фундаментальных теоретических основ макроэкологии находится еще в самом начале. Поэтому существует опасность профанации, упрощенной, некорректной постановки и решения научных и практических задач экологии. Часто приходится сталкиваться с ошибками, с поверхностными, административно-технократическими подходами к экологическим проблемам, с отсутствием серьезного научного анализа. Между тем приведенный выше перечень дисциплин показывает, что по крайней мере по системной совокупности объектов «большая экология» — это одна из самых сложных синтетических наук, требующая универсальной подготовки и глубоких профессиональных знаний (В. В. Хаскин и другие).

Фактор — движущая сила совершающихся процессов или влияющее на эти процессы условие или условия.

Рис. 2.6. Классификация факторов

Химический фактор — фактор, источником которого служит основной химический состав среды, а также состав и свойства загрязнителей. Например, временную жесткость воды определяет наличие в ней гидрокарбонатов кальция и магния.

Физический фактор — фактор, источником которого служит физическое состояние среды или явление (например, вибрация, электромагнитное излучение и т. д.).

Биологический фактор — фактор, источником которого служат различного рода биологические объекты, биоструктуры и их свойства.

Агент — источник воздействия па объект или субъект. Близок, но значению к понятию «фактор».

Антропогенный объект — физический, химический и любой другой антропогенный источник воздействия на рассматриваемый объект живой или неживой природы.

Компоненты (части) среды, которые влияют на состояние и свойства организма, называют экологическими факторами. Экологические факторы — любые неделимые элементы среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы.

Учение об экологических факторах — основа экологии организмов.

Экологические факторы могут зависеть от одного или нескольких условий. Зависимость от одного условия называется неделимостью экологического фактора. Этому условию удовлетворяют: свет, температура, влажность воздуха и почвы, соленость, концентрации конкретных питательных элементов в почве. Не удовлетворяют: высота над уровнем моря, глубина озера, океана. Они являются комплексами экологических факторов или комплексными факторами.

Рис. 2.7. Классификация экологических факторов.

Абиотические экологические факторы — все компоненты неживой природы. К ним относятся: свет, температура, давление, влажность, ветер, состав воздуха, воды и почвы, долгота дня и т. д.

Биотические экологические факторы — факторы, которые связаны с живыми организмами; они характеризуют влияние одних организмов на другие. К ним относятся: антагонизм, нейтралитет, сотрудничество и т. д.

Антагонистические взаимоотношения могут проявляться следующим образом: конкуренция, паразитизм, хищничество.

Характер нейтралитета имеют взаимодействия большого числа популяций разных видов живых организмов, совместно обитающих в общей среде.

Взаимоотношения, которые носят характер сотрудничества, так называемые симбиотические взаимоотношения, могут иметь разные формы: сосуществование организмов разных видов или использование одним видом другого без нанесения ему вреда.

Антропогенные экологические факторы — факторы, которые связаны с влиянием деятельности человека на природную среду. Человек загрязняет и тем самым разрушает природную среду. К этим факторам относятся: загрязнение атмосферы и водной среды, вырубка леса, осушение болот, уничтожение животных и т. д.

Таблица 2.1

Классификация экологических факторов (факторов среды)

Окончание табл. 2.1

Экологические факторы могут оказывать на организм положительное илы отрицательное влияние. Недостаток или избыток экологического фактора отрицательно влияет на жизнь организма. Для каждого организма существует определенный диапазон действия экологического фактора (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Зоны воздействия экологического фактора на организм

Способность организма приспосабливаться к действию экологических факторов называют адаптацией (лат. adaptation — приспособление).

Диапазон между минимумом и максимумом экологического фактора определяет величину выносливости — толерантности (лат. tolerantia — терпение) к данному фактору.

Разные организмы характеризуются разной величиной толерантности.

Экологические факторы связаны между собой и влияют друг па друга.

Вывод: существует экологическое равновесие между живыми организмами и средой их обитания:

Один из основных факторов в экологии — химический фактор.

Экологическая химия — раздел экологии и химии, в котором рассматриваются химический состав и взаимодействия между основными компонентами и загрязнителями неорганического и органического происхождения в атмосфере, гидросфере, литосфере и их влияние на среду обитания и биосферу в целом. Составная часть науки об открытых системах. Иначе говоря, экологическая химия — наука о веществах и процессах, определяющих химический состав и свойства объектов окружающей среды и их влияние на живую природу с учетом антропогенных воздействий и различного рода излучений (солнечного, космического, радиационного и др.). Составная часть мегаэкологии.

Существуют и другие определения экологической химии, например: экологическая химия — новая дисциплина, изучающая способность растений и животных передавать молекулярную и сигнальную информацию с помощью собственных химических агентов.

Последнему определению часто противопоставляется другой раздел на стыке экологии и химии — химическая экология, в котором рассматриваются химические (в основном антропогенные) воздействия на организмы. Приведенные разночтения отнюдь не свидетельствуют о «размывании» предмета экологии или о «замене вывесок» в угоду моде. В пограничных областях происходит взаимное обогащение наук. А размах экологизации лишь указывает на то, что экология занимает все более лидирующее положение в современной науке, и существующая ситуация — «трудности роста» (В. В. Хаскин и другие).

Система — совокупность элементов (веществ, тел, объектов живой и неживой природы) со связями между ними, мысленно или реально выделенных из окружающего пространства. Различают системы химические, физические, биологические и др.

Экологическая система (экосистема) — система, в которой организмы и среда их обитания объединены в единое функциональное целое через обмен веществ и энергии; любая совокупность организмов и окружающей их среды. Экосистема — основная функциональная единица в экологии, в которую входят живые организмы и неживая среда — компоненты, взаимовлияющие друг на друга.

В буквальном смысле система — целое, составленное из частей. Целостное образование, состоящее из взаимодействующих частей, называемых элементами или компонентами системы.

Основное свойство системы — обладание качественно новыми свойствами по сравнению с исходными компонентами.

Для сопоставления приведем данные по некоторым другим из упомянутых систем.

Самые простейшие системы — кварки, элементарные и фундаментальные частицы. Они состоят из еще более мелких субмельчайших объектов материи. Затем идут атомные частицы, каждая из которых состоит из элементарных и фундаментальных частиц (электрон, протон, нейтрон). Атомные частицы образуют молекулярные частицы. Дальнейшее усложнение систем — образование ассоциатов и агрегатов (рис. 2.9 и 2.10).

Рис. 2.9. Схема усложнения неорганических систем.

Для сопоставления с экологической системой приведем определения некоторых других систем.

Химическая система — совокупность веществ, между которыми происходят химические реакции с образованием новых веществ — продуктов реакции.

Рис. 2.10. Состав и разновидности простейших неорганических систем.

Физическая система — совокупность тел (веществ), между которыми не происходит химических взаимодействий; система, характеризуемая отсутствием химических реакций.

Кибернетическая система — система, способная воспринимать, хранить и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею с другими системами.

Рис. 2.11. Схемы различных по открытости систем (на примере химических систем):

1 — открытая (обмен веществом и энергией (Е)); 2 — замкнутая (закрытая) — обмен энергией; 3 — изолированная — нет обмена (реально не существует).

Это нужно знать

Любая естественная экосистема способна к саморегулированию: в экосистеме во времени и в пространстве поддерживаются основные параметры. При этом она находится в состоянии динамического равновесия.

Рис. 2.12. Виды экосистем.

Способность экосистемы сохранять свою структуру и функции при воздействии внешних и внутренних факторов называют стабильностью экосистемы.

Структура системы — инвариантная во времени фиксация связей между элементами системы. Может быть формализована математическим понятием «граф».

Сложные системы — системы, включающие в себя в качестве хотя бы одной подсистемы решающую систему (поведению которой присущ акт решения).

Экологическая ниша — совокупность характеристик, показывающих положение вида в экосистеме; место вида в природе (Б. М. Миркин, Н. Ф. Реймерс).

Круговорот веществ — упрощенная модель циркуляции основных химических элементов и веществ в оболочках планеты, но характерным замкнутым путям.

Окружающая среда — внешняя среда, находящаяся в непосредственном контакте с рассматриваемой системой, объектом или субъектом; среда существования живых организмов. Включает в себя атмосферуу гидросферу, литосферу конкретного местонахождения объекта, субъекта и т. д.

Внешняя среда — суммарное название явлений и сил природы, ее вещественного состава и пространства, а также любой деятельности человека, находящиеся вне рассматриваемой системы, объекта или субъекта, но не обязательно контактирующие с ними. Включает в себя атмосферу, гидросферу и литосферу Земли.

Среда обитания — часть окружающей среды, в которой осуществляются или могут осуществляться постоянные взаимодействия различного рода живых организмов с разнообразными веществами органического и неорганического происхождения и с приходящим потоком энергии.

«Живые» системы — системы с живыми организмами.

Живые организмы — различного рода живые объекты (клетки, организмы), способные к обмену веществ и воспроизведению с передачей генетической информации. Этим они отличаются от объектов неживой природы. Живые организмы являются составной частью природы и подчиняются основным ее законам. С точки зрения термодинамики живые организмы представляют собой открытые системы, с точки зрения кибернетики — относительно изолированные системы.

Живая природа — совокупность живых систем, включая человека, животных, растения.

Жизнь начинается с организмов. Простейшие организмы одноклеточные. Все организмы — от простейших до грибов, высших многоклеточных растений и животных — характеризуются способностью к автономному существованию в окружающей среде, а также формированием и поддержанием своей внутренней среды. Начиная с колонии прокариотических организмов (носгок), отличие организмов от окружающей среды настолько очевидно и существенно, что мы об этом не задумываемся. Степень трансформации среды живыми организмами может существенно различаться в пределах организма и вполне закономерно увеличивается в процессе эволюции. Высшая степень контроля и поддержания внутренней среды достигается у теплокровных животных и человека. Все теплокровные животные и люди имеют постоянную температуру тела. У людей она совпадает с точностью до десятых величин — 36,6°С. Это показатель сбалансированности всех метаболических процессов организма, независимо от окружающих условий, качества и количества потребляемой пищи (по В. В. Горшкову).

Биота — живое вещество планеты. Все живое, находясь в своей среде обитания, образует биосферу.

Экосистемы представляют собой открытые системы, так как в них происходит обмен энергией и веществом с окружающей средой. По масштабу выделения экосистема может быть микро-_} макро-, мезо- и глобального уровней. Примерами первой являются горшок с цветком, яблоня, куст жасмина; второй — лес, пруд, пилотируемый космический корабль, сооружения биологической отчистки сточных вод; третьей — океан, континент; четвертой — атмосфера, гидросфера.

Термин «экосистема» был введен Артуром Тенсли в 1935 г. после выделения компонентов экосистем (понятий продуценты, консументы, редуценты, описанных Чарльзом Элтоном в определении понятия «трофическая ниша»). Под экосистемой Тенсли понимал всю систему, включающую не только комплекс совместно обитающих организмов (автотрофов и гетеротрофов), но и весь комплекс физических факторов, составляющих то, что мы называем окружающей средой.

Компонентами экосистемы (по Ю. Одуму, 1975) являются:

• • простые и сложные неорганические вещества-. С, N, Р, С02, П20 и т. д.;
• • органические соединения: белки, углеводы (целлюлоза, лигнин и т. д.), липиды, гуминовые вещества, связывающие биотическую и абиотические части;
• • климатический режим-, температура и другие физические факторы;
• • автотрофный компонент-, продуценты, главным образом растения, способные создавать пищу из простых неорганических веществ;
• • гетеротрофный компонент.
• — макроконсументы (фаготрофы), преимущественно животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества,
• — микроконсументы (редуценты): сапротрофы (греч. sapro — разлагать) или осмотрофы (греч. osmo — проходить через мембрану) — гетеротрофные организмы (преимущественно грибы и бактерии), разрушающие сложные органические соединения, поглощающие некоторые продукты разложения и высвобождающие неорганические вещества, доступные для использования продуцентами.

С функциональной точки зрения экосистемы целесообразно анализировать в следующих направлениях (Ю. Одум):

• • потоки энергии;
• • пищевые цепи;
• • структура пространственно-временного разнообразия;
• • круговороты питательных элементов (биогеохимические круговороты);
• • развитие и эволюция;
• • управление (кибернетика), менеджмент.

Определение экосистемы по Ю. Одуму (1975): любое единство, включающее все организмы (т.е. сообщество) на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы.

Юджин Одум (1913—2002) — известный американский эколог и зоолог, автор классического труда по теории экологии «Экология», который до сих пор является актуальным.

Все науки о жизни — это науки, изучающие экосистемы различного уровня масштабирования (организации).

Таблица 2.2

Уровни организации живых систем

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дайте современное определение экологии как науки.
• 2. Укажите основные направления современной экологической науки.
• 3. Какие знания необходимы для рассмотрения экологических проблем?
• 4. Каково место экологии (мегаэкологии) в иерархии наук в естествознании? Какие разделы мсгаэкологии вы знаете?
• 5. Что называют экологическим фактором? Какие классы экологических факторов вы знаете?
• 6. Какие зоны воздействия экологических факторов на организм вы знаете?
• 7. Что понимают под термином «экосистема»? Укажите основные классы экосистем.
• 8. Какие формы существования веществ как компонентов экосистем вы знаете?
• 9. Укажите основные компоненты экосистемы.
• 10. Что такое «экологическая химия»?
• 11. В чем отличие понятий «экология» и «environmental science»?

Тесты

• 1. Экология — это наука, изучающая:
  • а) влияние загрязнения на окружающую среду;
  • б) влияние деятельности человека на окружающую среду;
  • в) взаимоотношения организмов с окружающей средой, в том числе взаимосвязи их с другими организмами;
  • г) влияние загрязнений на животных.
• 2. Понятие «экосистема» было введено в 1935 г.:
  • а) Э. Геккелем;
  • б) А. Тенсли;
  • в) К. Мёбиусом;
  • г) В. Вернадским.
• 3. Прикладная экология изучает:
  • а) взаимосвязи в системе «общество — человек»;
  • б) единство и целостность биосферы;
  • в) взаимосвязи техносферы, урбои агроэкосистем между собой и окружающей средой;
  • г) влияние паноматериалов па почву.
• 4. К химическим факторам воздействия не относят:
  • а) жесткость питьевой воды;
  • б) кислотность питьевой воды;
  • в) изотопный состав питьевой воды;
  • г) энергетические характеристики воды.
• 5. Экологические факторы:
  • а) способны оказывать только прямое воздействие на организмы;
  • б) способны оказывать только косвенное влияние на организмы;
  • в) способны оказывать и прямое, и косвенное влияние па организмы;
  • г) не влияют па организмы.
• 6. К абиотическим факторам не относят:
  • а) температуру воды;
  • б) влажность воздуха;
  • в) состав биоты;
  • г) свет.
• 7. Способность организма приспосабливаться к действию экологических факторов называют:
  • а) адаптацией;
  • б) толерантностью;
  • в) онтогенезом;
  • г) сукцессией.^[1]
  • в) экологическая ниша;
  • г) биота.
• 9. Естественные экосистемы представлены только в следующей группе:
  • а) лес, пашня, океан, огород;
  • б) лесная опушка, озеро, луг, теплица;
  • в) лес, море, городской парк, озеро;
  • г) озеро, побережье океана, лес, водопад.
• 10. К компонентам экосистемы не относят:
  • а) климатический режим;
  • б) консументы, редуценты, продуценты;
  • в) вещественный состав;
  • г) эмоциональный настрой.

• [1] Совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможносуществование вида в природе, — это: а) ген; б) биотоп;