Развитие экологии

Основы экологии

Лекции – 30-34 ч. Гребенчикова Ирина Александровна ст. преп. кафедры биотехнологии и биоэкологии Корп. 3 к. 311 Зачет

Список рекомендуемой литературы

Радкевич В.А. Экология. Мн.: Выш. шк., 1997. Маврищев В.В. Основы экологии. Мн.: Выш. шк., 2003. Маврищев В.В. Общая экология. Курс лекций. Мн.: Новое знание, 2007. Собещук О.П. Основы экологии: тексты лекций для студентов экономических специальностей. Мн.: БГТУ, 2005. 7. Киселев В.Н. Основы экологии. Мн.: Университетское, 1998.

Материалы по курсу «Экология» проф. кафедры биологии почв ф-та почвоведения МГУ, д. б. н. Ивана Юрьевича Чернова http://www.soil.msu.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=1019&Itemid=60 (адрес сайта ф-та почвоведения МГУ со ссылкой на адрес материалов)

Вопросы

1. Зарождение экологии. Период накопления и систематизации фактического материала (с древних времен до второй половины XIX в. (1-4 этапы)). 2. Период доминирования аутэкологического направления. Развитие биоценологии, популяционной экологии (со второй половины XIX до середины XX в. (5 этап)). 3. Период биогеоценологических исследований ( 40-70 гг. XX века (6 этап). 4. Современные направления и задачи экологии (7 этап).

Происхождение слова

«Oikos» (греч.) Дом, жилище, местообитание

«Logos» (греч.) Наука, учение

+

«Экология»

=

Как биологическая дисциплина возникла в середине XIX в.

Термин ввел Э. Геккель, 1866 г.

Превратилась в самостоятельную науку на стыке XIX и XX вв.

Наскальная живопись

Проблемы первобытных людей в своей сущности были экологическими.

Первый этап развития экологии

Примитивные знания, накопление фактического материала.

Период: много веков до н.э. – первые века н.э.

100-150 тыс. лет назад. Древние охотники. Разные виды животных связаны с определенными условиями, что их численность зависит от урожая семян и плодов. 10-15 тыс. лет назад. Первые земледельцы. Зависимость растений от внешних условий. 5 тыс. лет назад. Древний Египет, Китай и Индия. Севооборот сельскохозяйственных культур. VI-II вв. до н.э. Древнеиндийские памятники литературы «Рамаяна» и «Махабхарата». Сведения о повадках и образе жизни 50 животных, изменения численности животных, сведения об охотничьих запретах.

Второй этап развития экологии

Накопление фактического материала античными учеными. Средневековый застой.

Период: I – III вв. до н.э. – XIV в. н.э.

Древний мир

Аристотель (384-322 гг. до н.э.)

Эмпедокл (ок. 490 - 430 гг. до н.э.)

Гиппократ (460 – 375 лет до н.э.)

Идеи о влиянии факторов среды на здоровье людей

Плиний Старший (ок. 23–79 н.э.)

Теофраст (372-287 гг. до н. э.)

Связь растений с условиями существования, их зависимость от окружающего мира

«История животных» Классификация по образу жизни, способу питания

«Естественная история» «Философия природы» Многие явления природы характеризуются с подлинно экологических позиций

«Исследования о ботанике» Сведения о зависимости формы и особенностей роста растений от почвы и климата

Третий этап развития экологии

Продолжение сбора и первые попытки систематизации колоссального фактического материала, накопленного после средневекового застоя с началом с великих географических открытий XIV и XVI вв. и колонизацией новых стран – в эпоху Возрождения.

Период: с XIV по XVIII вв. включительно.

Биология до экологии

До середины XIX в. в центре внимания – морфология организма

Основное содержание биологии – разнообразие форм живых организмов

Эпоха Великих географических открытий XV – XVII вв.

Христофор Колумб (1451-1506)

Васко да Гама (1469-1524)

Фернандо Магеллан (1480-1521)

Знакомство с многообразием живых организмов

Развитие систематики

Биология до экологии

Антони ван Левенгук (1632–1723)

Роберт Бойль (1627–1691)

Джон Рей (1627–1705)

Влияние низкого атмосферного давления на различных животных

Первая естественная система растений

Изучение «пищевых цепей» и регулирования численности популяций

Карл Линней

Систематика животных и растений Цель – расшифровка плана Божественного творения Понятие вида (вид = элементарный акт творения) Бинарные латинские названия Иерархический принцип в систематике (таксоны)

Карл Линней (1707-1778)

Развитие морфологии и систематики

Экология

Разнообразие форм организмов

Поиск закономерностей

Зависимости формы от условий существования – аналогичные органы

Последовательные преобразования форм – гомологичные органы

Эволюция

Русские путешественники XVII – XVIII вв

Описания растительности и животного мира труднодоступных районов (Сибирь, Арктика) Первые сведения об образе жизни различных видов Первые идеи о зависимости организмов от среды обитания

Крашенинников Степан Петрович (1713-1755)

Лепехин Иван Иванович (1740 – 1802)

Паллас Петр Симон (1741-1811)

Четвертый этап развития экологии

Крупные ботанико-географические открытия. Систематизация накопленного материала, анализ закономерностей организмов и среды, начало изучения взаимоотношений между организмами. Начало XIX в. – самостоятельные отрасли: экология растений и экология животных. Определение понятия «экология» (1866).

Период: конец XVIII – вторая половина (1866 г.) XIX вв.

А. Гумбольдт

Я буду собирать растения и окаменелости, производить прекрасными инструментами астрономические наблюдения, я буду химически анализировать состав воздуха… Но все это – не главная цель моего путешествия. На взаимодействие сил, на влияние мертвой природы на животный и растительный мир, на эту гармонию должны быть неизменно направлены мои глаза… Моим безумным намерением является представить в одном произведении весь материальный мир, все, что мы сегодня знаем о явлениях в небесном мире и в жизни земли, начиная от туманностей и до географии мхов на гранитных скалах… А. Гумбольдт, 1799

Александр фон Гумбольдт (1769-1859)

К. Ф. Рулье

Вместо путешествий в отдаленные страны, на что так жадно кидаются многие, приляг к лужице, изучи подробно существа – растения и животных, ее населяющих, в постепенном развитии взаимно непрестанно перекрещивающихся отношениях организации и образа жизни, и ты для науки сделаешь несравненно более, нежели многие путешественники... Полагаем задачею, достойною первого из первейших ученых обществ, назначить следующую тему для ученого труда первейших ученых: «Исследовать три вершка ближайшего к исследователю болота относительно растений и животных и исследовать их в постепенном взаимном развитии организации и образа жизни посреди определенных условий». К. Ф. Рулье. «О задачах экологии», 1851.

Карл Францевич Рулье (1814 – 1858) Профессор Московского университета Первые экологические работы в России

Ни одно органическое существо не живет само по себе; каждое вызывается к жизни и живет только постольку, поскольку находится во взаимодействии с относительно внешним для него миром.

Н. А. Северцов

«Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии» (1855)

Самое полное знание о строении животного организма – не более как подготовительное для исследования животной жизни… Далее необходимо исследовать жизненные явления, которые составляют нравы и образ жизни животного. Они сопрягаются влиянием среды, в которой живет животное.

Николай Алексеевич Северцов (1827-1885)

Ученик К.Ф.Рулье, зоолог и путешественник, один из основоположников экологии в России

Теория эволюции

Чарлз Роберт Дарвин (1809—1882)

Алфред Рассел Уоллес (1823 – 1913)

Жан Батист Ламарк (1744–1829)

«Вклад в теорию естественного отбора» (1870)

«Происхождение видов» (1859)

«Философия зоологии» (1809)

Основы современной эволюционной теории (дарвинизм).

Первая попытка создания стройной и целостной теории эволюции живого мира.

Создал одновременно с Ч. Дарвином теорию естественного отбора. Один из основателей зоогеографии.

Пятый этап развития экологии

Доминирование факториальной аутэкологии – изучение естественной совокупности видов, непрерывно перестраивающихся применительно к изменению факторов среды. Определение понятий «биоценоз» (1877), «экосистема» (1936), «биогеоценоз» (1942).

Период: вторая половина (1866 г.) XIX – середина (1936 г.) XX вв.

Эрнст Геккель

«Экология - общая наука об отношениях организмов к окружающей среде, куда относятся все условия их существования»

автор термина «Экология»

ЭРНСТ ГЕНРИХ ГЕККЕЛЬ (haeckel, ernst heinrich) (1834–1919)

Естественная история миротворения (1868)

Общая морфология организмов (1866)

Развитие экологии во второй половине XIX в

В центре внимания – организм

Основные направления исследований: Описание образа жизни разных видов Изучение жизни в экстремальных условиях (Арктика, пустыни) Закономерности влияния факторов среды Связь морфологии организмов и среды обитания Периодические явления в жизни организмов (сезонность, суточные ритмы)

А. Ф. Миддендорф

Условия жизненных явлений в Сибири гораздо проще, главные друг друга обуславливающие причины, от которых они зависят, проявляются там гораздо резче, так что самый недостаток в разнообразии форм способствует лучшему пониманию общих законов жизни. «О преимуществах исследований природы в суровом климате», 1869

Арктика для эколога – все равно, что атом водорода для физика. акад. Ю. И. Чернов, 1998

Миддендорф Александр Федорович (1815-1894)

Русский естествоиспытатель, путешественник, исследователь Сибири. Изучение приспособлений растений и животных к жизни в суровых условиях. Один из основоположников зоогеографии.

Жизненные формы

Е. Варминг (Дания) «Ойкологическая география растений», 1895

К одной и той же жизненной форме причисляются все виды, обладающие сходными приспособлениями и внешностью, причем не обращается внимание на систематическое положение этих видов. Виды растений – это те единицы, которыми занимается систематическая ботаника, жизненные формы – это единицы экологической географии растений. Е. Варминг, 1896

Правило Бергмана

Если существует род, виды которого отличаются только величиной, тогда более мелкие виды этого рода будут тяготеть к более теплому климату, причем в точности в соответствии с их массой. Карл Бергман, 1847

Отношение объема к поверхности (= теплопродукции к теплоотдаче):

Правило Аллена

Животные, обитающие в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более короткие выступающие части тела (уши, лапы, хвост, нос) по сравнению с обитателями более теплых зон и областей. Д. Аллен, 1877

Песец

Обыкновенная лисица

Фенек

Заяц-беляк

Толай

Американский заяц

Экология организма

Таким образом ? в середине XIX в. возникло особое направление - экология Вначале - на уровне изучения отдельных организмов.

Важные обобщения организменной экологии

2. Учение о жизненных формах. Конвергенции. Экологические классификации.

1. Общие закономерности влияния факторов среды на организмы. Адаптации.

4. Экопериодизм. Биоритмы.

3. Экоморфология.

Понятие биоценоза

Биоценоз – это объединение живых организмов, соответствующее по своему составу, числу видов и особей некоторым средним условиям среды, объединение, в котором организмы связаны взаимной зависимостью и сохраняются благодаря постоянному размножению в определенных местах. «О биоценозе», 1877

Карл Мёбиус (1825-1908)

Объект экологии ? сообщества организмов! (а не отдельный организм)

Развитие идеи биоценоза

Фитосоциология

Геоботаника

С. И. Коржинский И. К. Пачоский

В. Н. Сукачев В. В. Алехин Л. Г. Раменский А. П. Шенников Ф. Клементс К. Раункиер Ж. Браун-Бланке

В основном – изучение растительных сообществ (фитоценозов)

… В основе растительного сообщества заложен принцип, имеющий в виду выгоду целого, а не составляющих его элементов. И. К. Пачоский «О растительном сообществе», 1921

Границы биоценозов

Границы между биоценозами менее определенны, чем границы между организмами. Дискретность или континуум?

Дискретность (реальные границы)

Обилие видов

Расстояние

Ценотический континуум

Границы биоценозов – практический аспект

Определение границ биоценозов – необходимо для классификации и картографирования растительности

Геоботанические карты

Структура биоценозов

Пространственная структура фитоценоза

Ярусность

Мозаичность

Структура биоценоза

В одинаковых условиях формируются биоценозы, сходные по внешнему облику за счет преобладания одинаковых жизненных форм. При этом таксономический состав биоценозов может быть различным.

Экологическая структура биоценоза - набор и соотношение жизненных форм

Тундровый луг

Пойменный луг

Альпийский луг

Биотические связи

В основе существования биоценозов лежат взаимодействия организмов между собой.

Хищничество

Взаимодействия чрезвычайно разнообразны, но поддаются классификации:

Комменсализм

Конкуренция

Мутуализм

Саморазвитие биоценозов

Концепция климакса

Теория сукцессий

В пределах одного региона результатом последовательных стадий саморазвития растительного сообщества является одна и та же финальная, или климаксовая стадия, начинаются ли они от водной поверхности или твердой скалы… Ф.Клементс «О сукцессии растительных сообществ», 1929

Фредерик Клементс (1874-1945)

Основные обобщения биоценологии

Создание классификации биоценозов (геоботанические карты) Закономерности структуры биоценозов (ярусность, мозаичность) Классификация биотических связей Концепция экологической ниши Концепция устойчивости и саморегуляции биоценозов Закономерности саморазвития биоценозов

Аутэкология и синэкология

Экология

Экология организмов (аутэкология)

Экология сообществ (синэкология)

III Ботанический конгресс (Брюссель, 1910)

- Экоморфология (жизненные формы) - Факторная экология (влияние факторов) - Биоритмы

- Структура и границы биоценозов - Биотические взаимодействия - Сукцессии

Популяционная экология

1930-е гг. – Формирование нового направления –экологии популяций

Чарльз Элтон (1900-1991)

Популяция – группа особей одного вида, взаимодействующих между собой и населяющих общую территорию.

Те есть организмы одного вида объединены в целостные группы – популяции. На уровне этих групп действуют особые законы.

Экология нашествий животных и растений, 1958

Популяционная структура вида

Вид – совокупность популяций. Нарушение связи между популяциями приводит к образованию новых видов

Популяционная структура вида

Ареалы подвидов белки

Структура популяции

Разные популяции характеризуются различной пространственной структурой – расположением особей в пространстве

Случайное

Групповое

Равномерное

Структура популяции

Популяции одного вида могут различаться соотношением числа особей разных возрастных групп

Возрастная структура населения трех стран с различными социальными условиями

Динамика популяций

Практический аспект: - вспышки численности паразитов, инвазии - борьба с вредителями - истощение запасов промысловых животных

Логистический закон роста популяции:

Емкость среды (K)

Типы популяционной динамики

Стабильный

Флуктуирующий

Численность популяции

Взрывной

Время

Гомеостаз популяций

Существуют механизмы саморегуляции популяций. Регуляция осуществляется по принципу обратной связи.

Численность

Смертность

Время

Динамика численности и смертности дафний

Концепция экологических стратегий

Мы видим полярность между питанием, поддержанием организма, с одной стороны, и деторождением – с другой; и, смотря по перевесу того или иного отправления, порода поддерживается или быстрым размножением, или долговечностью особей, но никогда обоими вместе. Н.А.Северцов, 1855

В разреженной среде, где невелика конкуренция, наилучшей стратегией следует считать максимальный вклад энергии в размножение с целью продуцировать как можно больше потомков в самые короткие сроки. Однако в насыщенной среде обитания, где конкуренция остра, оптимальной стратегией будет расходование большого количества энергии на повышение собственной выживаемости и на продуцирование более конкурентноспособных потомков. Эрик Пианка, 1970

Стратегия большого числа потомков с высокой смертностью

Стратегия малого числа потомков с высоким выживанием

Основные теоретические обобщения популяционной экологии

Критерии для описания популяций (структура популяций) Классификация межпопуляционных взаимодействий Законы динамики популяции Гомеостаз популяций. Механизмы гомеостаза Теория экологических стратегий

Шестой этап развития экологии

Системный подход к исследованиям природных систем, формирование биогеоценологии и общей экологии, как самостоятельных фундаментальных биологических наук, доминирование синэкологического (биогеоценологического) направления; изучение процессов материально-энергетического обмена, развитие количественных методов и математического моделирования.

Период: 40 – 70 гг. XX в.

Концепция экосистемы

Более глубоким представлением является целостная система, включающая в себя не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов. Хотя организмы в первую очередь могут претендовать на наш интерес, когда мы пытаемся мыслить фундаментально, мы не можем отделить их от окружающей среды, с которой они формируют одну физическую систему. А.Тенсли «Об экосистеме», 1935

Артур Тенсли (1871-1955)

Редуценты

Круговорот

Продуценты

Консументы

Биогеоценоз

Биогеоценоз можно определить как участок земной поверхности, где на известном протяжении биоценоз и отвечающие ему части атмосферы, литосферы, гидросферы и педосферы остаются однородными и в совокупности образующими единый внутренне взаимообусловленный комплекс. В. Н. Сукачев, 1942

Владимир Николаевич Сукачев (1880-1967)

Схема биогеоценоза (из работы В. Н. Сукачева)

Биогеохимические циклы

Нитриты

Концепция продуктивности

Продуктивность – скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию

Измерение продуктивности экосистем – методически просто, но трудоемко!

Потоки энергии

Трофические цепи.

Всем экосистемам свойственны определенные количественные соотношения первичной и вторичной продукции

Правило пирамиды: на каждом последующем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, меньше, чем на последующем

Основные теоретические обобщения биоценологии

Круговорот вещества (биогеохимические циклы) превращения энергии (трофические цепи) концепция продуктивности

Седьмой этап развития экологии

«Экологизация» всех отраслей науки. Становление экологических наук социальной и политической направленности. Возрастание интереса к изучению популяций, динамики формирования биогеоценозов в связи с антропогенными нарушениями. Сокращение описательных и расширение комплексных исследований. Организация долговременного экологического мониторинга разных уровней (наземного, регионального, глобального и др.)

Период: с 80-х гг. XX в. по настоящее время

Особенности развития экологии в XX в

Математическое моделирование Компьютеризация. Базы данных. Количественные оценки. Прогнозы Международное сотрудничество Прикладная экология. Охрана природы Организационные мероприятия (общества, журналы, совещания)

Математическое моделирование

Прогнозы.

Простейший пример: уравнения Лотки-Вольтерры на основе уравнения логистического роста популяции:

Популяции хищника и жертвы

Конкурирующие популяции

Математическая модель

Рысь и заяц в Гудзоновом заливе

200

150

Численность

100

50

0

1845

1865

1885

1905

1925

Поколения

Структура биоценоза

N = f (S)

Видовая структура биоценоза

Существует ли закономерность в распределении видов по обилию?

Обилие вида, % (N)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ранг вида в сообществе (S)

Виды в сообществе

Международная биологическая программа

С 1964 г.

Цель – «Выявить основные закономерности распределения и воспроизводства органических веществ в интересах наиболее рационального использования их человеком и получения максимальной продуктивности на единицу площади в природных или культурных условиях».

Измерение продуктивности суши и океана

Конец XX века

Катастрофический рост численности населения Технологический взрыв. Приоритет технического развития в ущерб гармонии с природой и совершенствованию культуры. Иллюзия независимости от природы и все большая зависимость не деле (нехватка ресурсов). Окончательное осознание ограниченности ресурсов (не только учеными, но и политиками) Проблема охраны природы

Осознание необходимости перестройки экономики в соответствии с экологическими законами

Результат: экология перестает быть только академической наукой, становится теоретической базой природопользования

Экология становится модной

Размывание термина «Экология»

Размывание смысла термина «экология»

Сейчас используется в смыслах: академическая наука (исходный смысл) состояние, тип окружающей среды (экология города) охрана природы (министерство экологии, Гринпис) степень загрязнения окружающей среды (экологически чистый) выражение гармонии («экологическое мышление», экология = хорошо)

Определение экологии

ЭКОЛОГИЯ – наука, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и с окружающей их природной средой, а также организацию и функционирование надорганизменных систем различного уровня.

Биологическая наука

Социальные проблемы, охрана природы – другое.