Живые организмы
Год– под экологией подразумевают общую науку, об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим все «условия существования» в широком смысле этого слова. Они частично органической, частично неорганической природы – определение Геккеля.
ЭКОЛОГИЯ. Основные понятия Экологии
Биоэкология (подраздел Мегаэкологии):
1. Аутэкология (факториальная экология) – наука, изучающая влияние экологических факторов на той или иной организм; первое упоминание: в Древнем Китае, 1,5 тыс до н.э;
2. Демэкология - наука, изучающая влияние экологических факторов на популяцию живых организмов; именно в этой науке на основе ее наработок пошло развитие математического моделирования экологических систем;
3. Синэкология – наука, изучающая влияние окружающей среды или отдельных экологических факторов на сообщества живых организмов;
4. Системная экология – наука, изучающая механизмы функционирования экологических систем;
5. Прикладная экология – отрасль знаний, связанная с практической реализацией экологии при решении хозяйственных задач;
Карл Фридрихович Рулье- за 14 лет своей деятельности написал более 60 научных работ, посвященных экологическим исследованиям.
Закон о единстве и двойственности начал(Концепция экосистем):
У природных тел есть живое и неживое начала, но они едины.
Экологическая география растений (1898 год)
87 трактовок понятия «экология». Аспирант разделил на несколько массивов: классическое (биологическое) направление, общественное направление, смешанное направление.
Экология (современна трактовка)– наука, изучающая взаимоотношения организмов и окружающей среды.
1. Особь;
2. Группа особей;
3. Популяция – группа особей, заселяющая одну территорию на протяжении многочисленных поколений и обладающая рядом специфических признаков;
4. Биоценоз – определенное сообщество взаимосвязанных живых организмов (совокупность популяций), живущих на каком-либо участке водоема или суши; состав: фитоценоз, сооценоз, микробоценоз;
5. Биом – биотическая составляющая, характеристика живых организмов – обширное сообщество живых организмов, которое характеризуется определенными формами растений и животных и занимает большое пространство, а также регулируется макроклиматом. Пример биома: тундра
Растительные ассоциации – естественно сложившаяся в пределах какого-то ареала, со сходным составом, соотношением жизненных форм, типу круговорота веществ, продуктивности и тенденциям развития.
Жизненные формы
Экотон – сообщество живых организмов, расположенное между биомами.
Экотоп – место существования живых организмов.
27.09.12
«Экосистема – концепция, экология – вера».
Экосистема – это комплекс живых и неживых компонентов, взаимодействие между которыми создает систему с замкнутым круговоротом веществ.
1965 год: создание концепции экосистемы ТЕНСИ.
Экосистема – это совокупность физико-химической среды (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценоза). Иными словами, это система физико-химико-биологических процессов.
ОДУМЫ – семья ученых-биологов.
Экосистема – биотическое сообщество на конкретном участке, взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями.
Биотическая структура – трофическая структура, а также деление живых организмов на продуцентов (синтез органики из неорганики), консументов (гетеротрофы, употребляют органическое вещество) и редуцентов (расщепление полимеров до мономеров, а потом до простых веществ – минерализаторы).
Сачава – крупный исследователь, практически географ.
СУКАЧЕВ: Биогеоценоз – совокупность однородных природных элементов на определенном участке поверхности Земли.
Биогеоценоз=Биоценоз (=фитоценоз + зооценоз + микробоценоз) + экотоп (=эндафотоп – это почва, при взаимодействии с растениями, животными и микроорганизмами, + климатоп – это атмосфера во взаимодействии с другими компонентами (почва, рельеф и т.д.)), (после жизнедеятельности живых организмов превращается в биотоп), экологические особенности которого определяются физико-географическими условиями данной территории.
Все компоненты связаны друг с другом и объединены в единое целое, не только территориально, но и функционально (на основе трофической структуры - сети).
Биогеоценоз – участок территории, относительно однородный по экологическим условиям, занятый одним биоценозом.
ВЕРНАДСКИЙ: Биосфера – это область существования живого существа и живых организмов, которая состоит из нижней части атмосферы (озоновый слой), всей гидросферы и верхней части литосферы (о), в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.
02.10.12
Трофический уровень – совокупность живых организмов, получающих преобразованную в пищу энергию через одинаковое число посредников трофической сети.
1 уровень – продуценты (фотосинтезирующие зеленые растения и хемотрофные бактерии).
2 уровень – первичные консументы (фитофаги, растения паразиты, зоопланктон)
3 уровень – вторичные консументы (зоофаги, хищники первопорядные, экто- и энто паразиты)
4 уровень – (хищники второго порядка, паразитирующие животные, обитающие на хищниках 1 порядка)
5 уровень – редуценты (потребители мертвого вещества, растения-сапрофаги) – идет параллельно, а не над всеми. Их пища: 1, 2, 3, 4 уровни. Осуществляют минерализацию органического вещества, замыкая цепь.
Цепи питания – ряд связанных групп организмов, связанных в форме трофических уровней, представляющих собой потоки вещества и энергии. На основе этого осуществляется круговорот вещества и перенос энергии в экосистемах.
Сходство понятий биогеоценоз и экологическая система:
- биогеоценоз – экологическая система;
Различия:
- нет размерности в понятии экосистемы
Размер экосистемы по Регенсу – это пространство (объем), при наличии которого возможно осуществление процессов само регуляции и самовосстановлении в совокупности составляющих экосистему средообразующих компонентов и элементов.
Средообразующие компоненты (экологические) биогеоценоза, ландшафтов – основные материально-энергетические составляющие экосистемы:
· энергия (включая все лучевые, волновые и квантовые источники);
· газовый состав (атмосфера);
· вода (жидкое составляющее);
· почва-субстрат;
· автотрофы-продуценты;
· организмы гетеротрофы (консументы и редуценты);
· информация.
Простейший
Неделимый (при сохранении характерных функций дискрет экологического компонента).
Иерархия экосистемы – функциональное соподчинение, вхождение более мелких и простых в более крупные и сложные различные уровни организаций.
Биогеоценоз, ландшафт, природный пояс, биогеографическая область, подсферы биосферы, биосфера.
Каждая система своего уровня образует свой круговорот веществ.
Наземные или сухопутные экосистемы, морские экосистемы, пресноводные экосистемы.
Свойства:
1) Изменчивость (динамизм)
А) в ходе функционирования
Б) В ходе динамики
Аллогенные (вызваны воздействием из вне – климатические, геохимические) и автогенные (вызваны процессами, происходящими внутри экосистемы - сукцессия) изменения.
1. Экологическая сукцессия – происходит под действием сообщества (биологического компонента экосистемы).
2. Сообщество изменяет физическую среду, которая и определяет характер сукцессии, скорость, устанавливает пределы, до которых может дойти развитие экосистемы.
3. ЭС – упорядоченное развитие экосистемы, связанное с изменением ее видовой структуры.
4. Завершение сукцессии – возникновение стабильной экосистемы (на единицу энергии/потока энергии создается максимальное количество биомассы и формируется максимальное число видов и межвидовых отношений).
5. Важной тенденцией развития экосистемы является стремление к замыканию биогеохимических круговоротов основных элементов (азот, фосфор, калий).
Круговорот веществ через биоту в неорганическую среду при использовании соли или калия.
09.10.12
Первичная сукцессия (образуется на территории ранее не освоенной) и вторичная сукцессия (развитие живых организмов и экосистем на том месте, где раньше существовала жизнь).
Климаксное сообщество:
i. Климатический климакс – это теоретическое сообщество, к достижению которого направлено развитие экосистемы в данном районе (климатической зоне). Сообщество находится в равновесии с общими климатическими условиями;
ii. Эдафический климакс – там, где рельеф местности, характеристика почв и т.д. препятствуют развитию климатического климакса, сукцессия заканчивается ЭК;
iii. Катастрофический климакс – это состояние сообщества в экосистеме, возникающее благодаря периодически повторяющимся катастрофам и способствуют повторению процессов сукцессии.
2) Устойчивость
Концепция лимитирующих факторов
Немецкий агрохимик Либих – занимался созданием искусственных удобрений.
Закон минимума Либиха: недостаток даже одного химического элемента может привести к гибели живого организма. Но позже выяснилось, что от недостатка не только химических, но и других вещей, как температура, влажность и т.д.
Экологический максимум – когда увеличение значения экологического фактора может привести к гибели живого организма.
Закон толерантности (Шелферд – 1911 год):
Согласно которому значение экологических факторов могут варьироваться в определенных пределах, при этом максимальное и минимальное количество вещества могут привести к гибели, но существуют определенные границы, в которых живые организмы будут чувствовать себя нормально.
РИСУНОК 1
Оптимальная зона зависит от поведения организма.
Эврибионтные виды – температура может меняться в больших пределах
Стенобионтные виды – ограниченная температура.
Экологическая валентность характеризует способность вида заселять различную среду обитания, которая характеризуется большими или меньшими изменениями (изменчивостью) значений экологических факторов.
Стенотопные виды (в таких же условиях) и эвритопные виды - существуют в любых местах, расширяют ареал обитания, занимают новые экологические ниши.
Качество среды (система признаков: разделены на 7 больших групп, каждая состоит из определенного числа показателей, которые могут охарактеризовать качество среды) с биологической точки зрения – система взаимосвязанных характеристик окружающей среды, в первую очередь атмосферного воздуха, природных вод и почв, отражающих их способность без отклонений осуществлять свои жизнеобеспечивающие функции.
· Геономические критерии – критерии, которые характеризуют явления и процессы, обусловленные физико-географическими и биоклиматическими особенностями той или иной территории (рельеф, характеристики почв, растительного покрова, гидрографическая сеть, воздушные течения, температура и водный баланс, световой режим, электромагнитные поля и характеристики, гравитационный режим и их нарушения);
· Биогеохимические критерии – по ним оцениваются биогеохимические циклы. Циклы меняются постоянно, для каждой территории они разные;
· Экогенетические критерии – критерии, которые характеризуют исторические преобразования биоценоза;
· Ценологические критерии – основаны на оценке видового состава, входящего в биоценоз;
· Продукционнобиологические критерии – характеризуют обмен веществом и энергией как внутри, так и между другими экосистемами;
· Геогигиенические критерии – характеристики, которые оказывают естественную способность атмосферного воздуха, почв и природных вод к сохранению своих физических, химических и механических характеристик (способность к самовосстановлению);
· Санитарные критерии - характеристики, которые показывают эффективность искусственных мероприятий, направленных на сохранение и восстановление важных для человека и для сфер в целом характеристик атмосферного воздуха, почв и вод.
Качество жизни определяется качеством среды обитания.
Комфорт – введено климатологами – существует направление медицинской климатологии (раздел биоклиматологии).
Мониторинг природной среды, или экологический мониторинг (закон об охране окружающей среды) – начало 1970-х – Израель (начальник гидрометеорологической службы СССР)
16.10.12
Комфортность – оценка по рельефу местности, высоте над уровнем моря, качеству подземных и надуровневых вод, характеристике растительности живого мира, наличию предпосылок болезней в регионе, по геологическому строению.
Мониторинг природной среды - система наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений природной среды.
Задачи мониторинга:
1. Оценка степени изменчивости природной среды (экосистемы и ландшафтов) и их компонентов под действием человека;
2. Фенологические наблюдения.
Классификация по целям мониторинга:
1. Геофизический мониторинг;
2. Биологический мониторинг.
Классификация по пространству:
1) Глобальный мониторинг или биосферный;
2) Региональный мониторинг;
3) Локальный или импактный мониторинг.
Классификация по времени:
1. Постоянный мониторинг;
2. Кратковременный мониторинг
Основная идеология мониторинга – параметром измерения является не сама измеряемая величина, а ее отклонение от нормы. Определение нормы для биологического мониторинга проблема чрезвычайно сложная, потому что в биологических системах понятие нормы относительное.
Выделяют субклеточный биологический мониторинг: генетические исследования и биохимический мониторинг.
Клеточный мониторинг – цитологический мониторинг.
Мониторинг загрязнения биоты.
Мониторинг продуктивности биосферы.
Мониторинг исчезающих видов. Цель: оценка и прогноз биосистем на антропогенные воздействия.
Создание автоматических систем оповещение на основе регистрируемых реакций человека на антропогенные лимитирующие факторы в экосистеме.
Направление работ биологического мониторинга:
1) Разработка систем раннего оповещения;
2) Диагностика - обнаружение, идентификация, определение концентрации загрязняющих веществ в тканях живых организмов;
3) Прогнозирование
23.10.12
Диагностический мониторинг живых организмов наземных экологических систем.
Организмы-мониторы – организмы, используемые при диагностическом мониторинге.
Гомеостаз – поддержание постоянства внутренней среды.
Блоки исследования: диагностический мониторинг морских вод, пресных.
Необходимо обосновать наличие вида, в мониторинге популярны исследования, опирающиеся на водоросли, которые четко характеризуют нагрузки водных систем, но в зависимости от вида, разные и химические вещества, накапливаемые в тканях водорослей. Так же популярны мхи, лишайники (лихеноиндикация – индикация по лишайникам). Они накапливают загрязняющие вещества, но так же, как и в случае водорослей, разные виды – разные вещества.
Очень распространенная индикация по коре сосны обыкновенной.
В зависимости от территории, кора сосны может накапливать не только загрязняющие вещества, но и вещества, содержащиеся в почве.
У человека индикацию загрязнений производят по волосу.
Задача прогностического мониторинга – прогнозирование состояния биоты, подверженной антропогенным воздействиям.
ü биотестирование - биологическая оценка качества среды (воды, воздуха или почвы) по реакции тест-организма (тест-функции). Оно включает в себя изучение связи «доза – эффект» на тест-объект. Фраза «доза – эффект» пришла из токсикологии. В идеальном случае оно представляет собой косообразную функцию. Эта функция является отражением связи между двумя переменными.
По этой функции в токсикологии исследуется гибель животных. nD50 – летальная доза, приводящая к смерти в 50% случаях.
Предельно-допустимый уровень (относится к физическим полям: шумовым, электромагнитным и так далее).
Тест Эймса
В данном тесте используют сальмонелл (болезнетворные бактерии) в качестве тест-объектов.
Он создал группу с сальмонелл, которые по разному реагируют на загрязняющие вещества.
1) Если мы хотим использовать результаты в качестве обнаружения загрязнителей для человека, то мы должны понять, подходит ли этот вид для исследования;
2) Попав в организм, они взаимодействуют с другими видами.
II тест-объект – высшие растения. Так же входят некоторые насекомые, ткани.
Изучение отклика проводится на клеточном, генетическом и организменном уровнях.
Санитарно-гигиеническая – оценка обитания человека
Данные биотестирования применяют для:
1. Установки степени загрязнения окружающей среды токсикантами;
2. Определение степени опасности нарушений в окружающей среды;
3. Разработка мер контроля, а также стандарта качества окружающей среды, разработка конкретных мониторинговых программ
30.10.12
ü Экотоксилогические исследования
Задачи экотоксикологии:
1) Определение скорости накопления, трансформации, распада и выведения токсичных веществ при использовании лабораторных исследованиях, как в лабораторных условиях, так и в естественных условиях на изолированных от воздействия внешней среды экосистемах. Это микросомная система.
2) Изучение движения токсичных веществ по цепям питания
Потенцирующий эффект – взаимодействие нескольких лимитирующих факторов. При проведении биоиндикации необходимо выбрать определенные параметры. Параметры должны быть тесно связаны с важнейшими показателями состояния живого организма: признаки предлетального состояния, отражающие нарушение репродуктивной системы и нарушение жизненного цикла. В целом, все показатели классифицируются на:
I тип:
· Прямые (непосредственно на живой организм и определяют его существование)
· Косвенные (через изменение в среде обитания);
II тип:
ü Частные показатели (когда меняется одна функция)
ü Комплексные показатели
Индикация – проявление тех или иных лимитирующих факторов:
o Специфическая (отмечаемая реакция характерна для конкретного лимитирующего фактора)
o Неспецифическая (одна и та же реакция может быть вызвана разными стрессовыми ситуациями)