Читать книгу Оcновы общей экологии - Ольга Викторовна Гладкова - Страница 1

Введение

Исследовательские работы в области экологии пользуются большой популярностью среди молодых исследователей. Исследования по экологии выполняют как школьники, так и студенты различных университетов. Школьники сталкиваются с определенными трудностями по выполнению экологических работ, к сожалению, большинство школьников не изучают дисциплину "экология", знания по основам экологии они в основном получают из предмета биология, и в значительно меньшей степени из географии, а также химии. В тоже время экологические исследовательские работы, одни из самых популярных среди школьников.

В течение многих лет школьники и студенты младших курсов представляют работы в Российской научно-социальной программе для молодежи и школьников «Шаг в будущее» и Национальном соревновании молодых ученых Европейского Союза. В рамках этой уникальной программы были представлены работы по самым различным направлениям экологии, Российская научно-социальная программа «Шаг в будущее» внесла большой вклад в экологическое образование молодежи России.

Данный учебник предназначен для школьников и студентов, представляющих экологические работы на секции "Экология, биотехнология и науки о растениях", а также может быть рекомендован для всех школьников и студентов, представляющих свою научную работу для Российской научно-социальной программы «Шаг в будущее» и соревновании молодых ученых Европейского союза (национальный этап).

ГЛАВА 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ

1.1. Определение экологии

Экология наука относительно молодая, временем возникновения экологии, как науки, можно считать середину 19 века, когда в 1866 году молодой немецкий биолог Эрнст Геккель в книге «Всеобщая морфология организмов», классифицируя разделы биологии, впервые использовал термин «экология», которым к концу 19 века стали пользоваться многие биологи.

Таким образом, у термина экологии есть свой год рождения – 1866 год. Каких только названий до этого для экологии не предлагалось: «эпирриология», «биономия» и другие – но все они не прижились!

Общую экологию рассматривают как биологическую науку.

Экология – это наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и окружающей средой, в которой они обитают.

Экология – это биологическая наука, изучающая формирование, структуру и функционирование биологических систем всех уровней от организма до биосферы и их взаимодействие с окружающей средой.

То есть экология изучает взаимоотношения живых организмов друг с другом и с окружающей средой.

В экологии можно выделить составные части, исходя из объектов изучения: экология растений, экология животных, человека, грибов, микроорганизмов.

Однако если для ряда других биологических наук индивидуум является наикрупнейшей единицей, то для экологии он – мельчайшая единица исследований.

Ряд экологов использует следующее определение: экология – биологическая наука, которая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени, в естественных и изменённых человеком условиях. Здесь из основных положений экологии исключено изучение организменного уровня. Однако экологию нужно рассматривать шире, включая и организменный уровень. Влияние факторов окружающей среды на живые организмы и адаптация к ним, также важный раздел экологии.

Общая экология – это экология в классическом понимании термина. Это биологическая основа и фундамент всех прикладных экологических дисциплин и охраны окружающей среды.

Если рассматривать все направления экологии (общую и прикладную), то современная экология – это биологизированная наука, биологические знания находятся в центре и являются основными, но прикладная экология дополнительно к биологическим знаниям опирается на разделы географии, медицинских наук, химии, а также в определенной степени на некоторые разделы геологии, инженерных и других наук. Для прикладной экологии большое значение имеют прикладные биологические науки (биотехнология, в том числе биотехнология растений и микроорганизмов, фитотехнологии). Биотехнологические методы также находят применение в охране окружающей среды, для решения различных экологических проблем (Фомченко, 2017; Гладков, Гладкова, 2018).

Следовательно, для экологии характерен междисциплинарный и межотраслевой подход.

Как Вы думаете, почему экология стала пользоваться такой большой «популярностью» в последнее время? Термин «экология» вошел в обиходную речь, его упоминают ученые, политики, журналисты и обычные обыватели.

В современном обществе под влиянием телевидения, газет, интернета экология может трактоваться как охрана окружающей среды, как прикладное знание о состоянии среды обитания человека, и даже (в последнее время особенно часто!) – как состояние определенной окружающей среды (как часто в рекламе мы слышим «плохая экология», «нарушена экология»). Но ведь экология это наука! Но разве мы с Вами говорим плохая биология, плохая химия, плохая география? Конечно же, нет! Тогда как же говорить правильно? Вместо выражения «плохая экология», нужно говорить неблагоприятная экологическая обстановка.

Но давайте вернемся к вопросу о «популярности» экологии. Повышенный интерес к экологическим дисциплинам обусловлен тем, что воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы и это воздействие ощущает каждый из нас. Экологические проблемы приносят много бед нашей планете, при этом благодаря человеку даже обычный кролик может принести массу бед.

Томас Остин вошел в историю Австралии абсолютно случайным образом. Он написал в Англию племяннику Уильяму Остину – "охота здесь из рук вон плохая, пришли дорогой племянник мне 12 серых диких кроликов, пять зайцев, 72 куропатки и дюжину-другую воробьев".

Однако Уильяму не удалось найти столько диких кроликов, поэтому он купил домашних. В октябре 1859 года Остин выпустил две дюжины зверьков в штате Виктория. Он думал, что если выпустить их в дикую природу ничего страшного не будет. Как же он ошибался!

Прошло около года и этих животных можно было встретить в природе уже за сотню километров от того места, где их выпустили.

Никто не смог предположить взрывного роста популяции.

Уже к началу 20-го века в Австралии обитали миллионы кроликов, а к середине столетия – по некоторым оценкам, которые очень противоречивы, до 750 млн. особей! Как же такое могло произойти? Животные размножались практически в геометрической прогрессии, у них не было серьезных конкурентов, благоприятные климатические факторы – в Австралии нет холодных зим, хороший климат, обилие пищевых ресурсов и отсутствие естественных хищников. Кролики выедали растения с корнями и обгладывали молодые деревца, уничтожая их полностью, поэтому растений для других травоядных организмов оставалось совсем мало.

Фермеры Австралии активно занимались овцеводством. Кролики так размножились, что выедали все пастбища, и овцы остались без еды! Фермеры терпели колоссальные убытки! Сама борьба с кроликами тоже принесла немало бед. Первоначально решили завезти естественных врагов кроликов – лисиц, хорьков, кошек, горностаев, ласок. Но попытка не увенчалась успехом. Привезенные виды, переключившись на более легкую добычу местных сумчатых животных и птиц, которые были намного медленнее кроликов.

Традиционные методы тоже не помогли, учитывая огромную численность животных. Отчаяние охватило фермеров! В 1900-ее гг. был построен огромный проволочный забор (1833 км) и назвали его «Забор от кроликов № 1». Его строили 400 человек! Он состоял из трех уровней, его общая протяжённость составляла около 3256 километров.

Забор патрулировали на верблюдах, однако когда появился автотранспорт, верблюды оказались не нужны и их выпустили на волю, они стали уничтожать пастбища, и в Австралии появилась новая проблема.

Распространение в Австралии возбудителей заболеваний кроликов оказалось наиболее эффективной мерой контроля их популяции. Первый серьезный результат в войне с кроликами был получен более чем через 90 лет, в 1950 году был распространён вирус миксомы, что привело к существенному сокращению численности этих животных. Однако у оставшихся в живых кроликов выработалась генетическая сопротивляемость вирусу. С июня 1991 года экспериментально использовали кальцивирус, вызывающий геморрагическую болезнь кроликов. Однако, полностью кроликов все таки остановить не удалось.

1.2. Основные понятия экологии

Давайте познакомимся с основными понятиями экологии, более подробно обсудим приведенные ниже определения в следующих главах.

Биоценоз – это биологическая система, представляющая собой совокупность взаимно связанных популяций различных видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих определенное однородное жизненное пространство. Биоценоз представляет собой эволюционно сложную форму организации живых организмов биосферы, экологическую систему, состоящую из множества видов.

Биогеоценоз – совокупность исторически сложившегося сообщества живых организмов и связанных с ними факторов окружающей среды на определенной территории. Таким образом биогеоценоз – это совокупность живых организмов (биоценоз) и связанных с ними абиотических факторов на определенной территории.

Экосистема– это исторически сложившаяся устойчивая система связей, совместно обитающих живых организмов, а также физических и химических компонентов среды, необходимых для их существования или являющихся продуктом их жизнедеятельности. Экосистема– это любое сообщество живых организмов вместе с его средой обитания, функционирующее как единое целое.

Отличия и схожесть определений "биогеоценоз" и "экосистема" обсудим в 6 главе.

Биосфера – одна из геологических оболочек Земли, область существования живого вещества. Биосфера- это наиболее крупная экосистема планеты, поддерживающая глобальный круговорот веществ (Чернова, Былова, 1988; Маврищев, 2007; Гладков, Гладкова, 2018; 2019).

ГЛАВА 2.

ОРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

2.1. Организмы и окружающая среда

Среда обитания – это пространство, в котором протекает жизнедеятельность живых организмов, то, что окружает организм и оказывает на него прямое или косвенное воздействие.

Можно выделить четыре типа среды обитания для живых организмов: водная среда, наземно-воздушная, почвенная и сами живые организмы.

2.2. Экологические факторы

Работы по влиянию экологических факторов на живые организмы имеют важное значение. Многообразие экологических факторов было отмечено в 1840 г. российским ученым Эдуардом Эверсманом. Он разделил экологические факторы на абиотические и биотические.

Абиотические факторы – это факторы неорганической (неживой) природы, воздействующие на организм прямо или косвенно, через обмен веществ, которые имеют односторонний характер; организм может к ним приспособиться, но не может оказать на них обратное влияние).

Насколько абсолютно верно это классическое определение?

Факторы имеющие односторонний характер; организм может к ним приспособиться, но не может оказать на них обратное влияние.

Сейчас человек оказывает влияние на такой важный экологический фактор как температура, становясь причиной одной из главных экологических проблем – глобального потепления. Однако, если быть точным, влияние оказывает хозяйственная деятельность человека. Температурные условия также в определенной степени могут изменяться под действием живых организмов, в первую очередь растительных сообществ. Растительные сообщества трансформируют тепловой режим под своим пологом: нет резких колебаний температуры, как на открытых местах (в жаркую погоду прохладней, в холодную теплее).

Биотические факторы – это факторы взаимодействия организмов; организмы влияют друг на друга непосредственно или косвенно.

Попробуем разобрать это определение, организмы влияют друг на друга непосредственно, в качестве примера можно привести взаимоотношение хищник-жертва, например кошка – мышь.

Косвенное влияние можно охарактеризовать следующим примером, связанным с сукцессией, когда происходит изменение среды обитания. Например, светолюбивые травы могут выпасть из травостоя, после того как начинает прорастать ель и становится меньше света.

Все большее значение на планете приобретают антропогенные факторы.

Антропогенные факторы – это факторы влияния человека на живые организмы и окружающую среду. Человек всегда оказывал влияние на окружающую среду. Среди первых воздействий человека на окружающую среду – уменьшение видового разнообразия, особенно в период великих географических открытий.

Среди самых известных исчезнувших видов: морская корова, длиной до 8 метров, весом до 3,5 тонн, обитала у берегов Командорских островов, паслась на мелководье группами, питалась водорослями, была чрезвычайно доверчивой, исчезла в течение 27 лет после ее открытия.

Важное значение имеет не только изучение влияния экологических факторов, но и адаптация к ним. Адаптация – это приспособление организмов к окружающей среде. Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни.

Основные механизмы адаптации на уровне организма:

1) биохимические;

2) физиологические;

3) морфолого-анатомические;

4) поведенческие;

5) онтогенетические.

Адаптации у различных групп организмов вырабатываются с разной скоростью. У насекомых адаптации могут возникнуть через 10-20 поколений (именно этим объясняются неудачи химических средств против насекомых), выработка адаптаций у растений и птиц – процесс очень медленный требует столетий. Очень быстро к различным неблагоприятным условиям адаптируются бактерии.

А Вы знаете, что повысить устойчивость растений к абиотическим факторам можно с помощью биотехнологии?

Свойство изолированных клеток полностью реализовать свой потенциал развития с образованием нового организма называется тотипотентностью.

Отбор в культуре in vitro клеток с заданными свойствами называется клеточной селекцией.

Преимуществом по сравнению с традиционной селекцией является возможность манипулировать миллионами генотипов в малом объеме.

Клеточную селекцию можно использовать для получения растений, устойчивых к таким неблагоприятным экологическим факторам, как засуха, засоление. Можно повысить толерантность к тяжелым металлам с помощью клеточной селекции. Также клеточная селекция может найти применение для увеличения накопительной способности растений, например тяжелых металлов, следовательно, такие растения могут использоваться для очистки почв, воды (Гладков, Гладкова 2009, 2019; Гладков и др., 2014).

2.3. Абиотические факторы

К этим факторам относят свет, температуру, влажность, газовый состав воздуха и др.

Классификация абиотических факторов

Абиотические факторы делятся на климатические, эдафические орографические (условия рельефа), гидрографические.

Некоторые экологи в классификации абиотических факторов иногда также отдельно выделяют огонь – как экологический фактор. Также можно разделить абиотические факторы на физические и химические (газовый состав атмосферы, солевой состав воды).

Исследования в области факториальной экологии посвящены влиянию абиотических факторов на живые организмы и адаптации к ним.

В качестве объектов исследования можно использовать различные виды растений и исследовать влияние на них различных абиотических факторов.

2.4. Краткая характеристика некоторых экологических факторов

Температура

Температура – один из важнейших абиотических факторов. Экосистемы планеты могут существенно различаться по температурным условиям.

Экстремальная температуры воздуха на Земле колеблется в диапазоне от –88,3 °C (станция «Восток», Антарктида) до +58,7 °C (Гарьян, Ливия).

Для многих видов оптимальной является температура 20-300С, однако существуют экологические группы организмов, для которых оптимальные условия сдвинуты в сторону низких или высоких температур.

Криофилы – это экологическая группа видов, оптимальные условия жизнедеятельности для которых холодные климатические условия, они специализированны к жизни в таких экосистемах. Значительная часть земной биосферы относится к постоянно холодным областям с температурой ниже +5 °C. Среди криофилов виды, которые обитают в глубинах Мирового океана, живут в арктических и антарктических пустынях, тундре, высокогорье.

Термофилы – это экологическая группа видов, оптимальные условия жизнедеятельности для которых высокие температуры. Среди таких организмов – представители микроорганизмов, растений и животных, встречающихся в горячих источниках, на поверхности прогреваемых почв и др. В качестве примера, можно также привести термофильные бактерии, например которые участвуют в переработке твердых отходов, в процессе компостирования, в результате температура отходов резко возрастает, и если не управлять этим процессом, то может произойти самовозгорание.

По адаптации к температуре живые организмы можно разделить на две группы.

Холоднокровные (пойкилотермные (от греческого ''изменчивый, меняющийся'') это организмы для которых характерна неустойчивость температуры их тела (то есть их тепловой режим зависит от изменений температуры окружающей среды). Главный источник поступления тепловой энергии – внешнее тепло.

Теплокровные (гомойотермные (от греческого ομοιος – сходный, одинаковый) – это организмы, способные поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры окружающей среды. К гомойотермным организмам относят птиц и млекопитающих.

Птицы и млекопитающие менее зависимы от температуры окружающей среды. Для них характерна терморегуляция.

Терморегуляция – это способность в определенных пределах сохранять температуру тела. Можно выделить химическую и физическую терморегуляцию.

Химическая терморегуляция – это увеличение теплопродукции в организме в ответ на понижение температуры за счет окислительно-восстановительных реакций обмена веществ.

Физическая терморегуляция более экологически выгодна, так как адаптация к холоду осуществляется не за счет дополнительной выработки тепла, а за счет сохранения его в теле животного. Она связанна с морфофизиологическими приспособлениями (за счет перьев, волос, которые удерживают вокруг тела слой воздуха, выполняя роль теплоизолятора).

Важное значение имеет приспособительное поведение. В качестве примеров можно привести поиск укрытий, сооружения сложных нор, гнезд, миграции. Температурные условия более сглаженные, чем больше глубина норы. В искусно созданных норах глубине 150 -200 см перестают ощущаться даже сезонные колебания температуры!

Среди гомойотермных животных выделяют группу гетеротермных. Гетеротермностъ – адаптивная стратегия среди птиц и млекопитающих, при которой закономерно сочетается использование выгод, как постоянства, так и перемены температуры тела.

Основные формы проявления гетеротермности – способность впадать в спячку или оцепенение.

Влажность

Вода – необходимый компонент клетки, ее количество определяет флору и фауну местности. У растений пустынь вода составляет лишь 30-65% от общей массы, в дубравах 70‑85%, в ельниках достигает 90%.

Как Вы думаете, кому из наземных животных нужно больше всего воды?

Больше всего воды в течение суток из наземных животных нужно слону – около 90 л, причем для нормальной жизнедеятельности он должен пить ежедневно.

Чтобы удовлетворить жажду, гиены иногда едят дыни и арбузы, а горный кенгуру обдирает кору деревьев и слизывает проступающий сок.

Тела большинства животных содержат не менее 50% воды.

Сочные плоды растений содержат большое количество воды: в яблоке-86 %, груше – 84 %, грейпфруте – 88 %, мандарине –85 %, в малине – 86 %, в крыжовнике – 88 %, в землянике – 91 %, жимолости – 86 %.

Количество воды, которое может потерять живой организм без ущерба для себя, колеблется в широких пределах. Для млекопитающих эти величины составляют 10 – 15 % от их веса. При потере всего 5 % из положенного организму человека количества жидкости пульс тут же учащается, а температура повышается. Потеря 12–15 % воды приводит к нарушению обмена веществ, а потеря около 25 % воды – к гибели организма.

Большинство высших наземных растений используют корни, для поглощения воды (среди исключений мхи, которые поглощают воду из почвы ризоидами).

Если в близости от корней запасы воды в почве незначительны, корни растут в направлении большей влажности, находясь в постоянном движении.

Различают следующие корневые системы по типу ветвления:

1) экстенсивная – охватывает большой объем почвы, но относительно слабо ветвится с негустым пронизованием почвы (сосна обыкновенная, береза повислая, василек шероховатый, верблюжья колючка);

2) интенсивная – охватывает значительно меньший объем почвы, но густо пронизывает ее многочисленными сильно ветвящимися корнями (степные дерновинные злаки (например, ковыль), рожь, колокольчик широколистный, пион). Между этими типами корневых систем есть переходные.

При недостатке влаги корневая система может становится экстенсивнее.

2.5. Влияние абиотических факторов на растения

Экологические группы растений выделяют по отношению организмов к одному конкретному фактору окружающей среды (влажность, температура, свет, засоление и др.).

Влияние света на растения

Светолюбивые растения называют гелиофитами.

Гелиофиты произрастают в условиях солнечного освещения (сосна, роза, подсолнечник, кукуруза, флокс, и др.), в сухих местах обычно образуют разреженный и невысокий покров. Типичные светолюбивые растения – луговые, степные травы, многие культурные растения. У некоторых растений отношение к свету зависит от вида, сорта (очиток).

Тенелюбивые (сциофиты) – виды растущие под пологом леса при сильном затенении, не выносящие сильного освещения, экологическим оптимумом для таких растений является слабая освещенность.

К тенелюбивым растениям широколиственных и темнохвойных лесов, относятся виды, обитающие в нижних ярусах (например, виды нижнего яруса ельников). Среди таких видов зеленые мхи, медуница и др.

Факультативные гелиофиты (теневыносливые) занимают промежуточное положение между двумя группами. Эти растения переносят небольшое затенение. Это ряд лесных растений (ель, клен, липа, ирис, земляника лесная). На осветленных местах они разрастаются часто сильнее, однако оптимальное использование солнечной радиации у них происходит не при полном солнечном освещении.

В экспериментальной работе oценить влияние света на растения можно не только в условиях полевых экспериментов, но и в условиях жилых и производственных помещений.

Влияние температуры на растения

Вы никогда не задавались вопросом, почему одни растения, растущие в саду могу перенести зиму, а другие нет?

Можно привести и другие примеры, например даурская лиственница – северная древесная порода, способная переносить температуры до -60°C, а иногда и более, а некоторые комнатные растения могут погибнуть при 0° С.

Все дело в том, что существуют различные экологические группы, по отношению к низким температурам.

По степени адаптации можно выделить следующие группы:

нехолодостойкие растения – сильно повреждаются или гибнут при температурах, еще не достигающих точки замерзания воды. К таким растениям относятся растения тропических лесов, водоросли теплых морей;

неморозостойкие растения переносят низкие температуры, но погибают, если в тканях начинает образовываться лед. Представителями этой группы являются растения вечнозеленых субтропических лесов.

льдоустойчивые или морозоустойчивые растения – это растения, произрастающие в областях с сезонным климатом, с холодными зимами. Несмотря на сильные морозы, надземные органы деревьев и кустарников сохраняют жизнеспособность, так как в клетках кристаллический лед не образуется. Представителями этой группы являются растения произрастающие в областях с сезонными изменениями, например растения сосновых и еловых экосистем.

Морозоустойчивость – способность растений благодаря ряду физиолого-биохимических механизмов, переносить снижение температуры ниже 0°С.

Растения подготавливаются к перенесению морозов постепенно, проходя предварительную закалку.

Закаливание растений проходит в две фазы: первая проходит на свету при пониженных плюсовых температурах (например, днем около 10°С, ночью около 2°С) и умеренной влажности. В эту фазу продолжается замедление или даже полная остановка ростовых процессов. В результате закалки накапливаются в клетках сахара (до 30 %), и другие защитные вещества, связывающие воду. Вторая фаза закаливания протекает при дальнейшем понижении температуры и не требует света. В эту фазу происходит отток воды из клеток, продолжается образование устойчивых к обезвоживанию белков. Не для всех растений необходимо протекание процессов закаливания в две фазы. У древесных растений, сразу протекают изменения, соответствующие второй фазе закаливания.

Высокую морозостойкость растения приобретают при разной скорости снижения температуры: более морозостойкие растения быстрее закаливаются. Большой вклад в изучение морозостойкости растений был внесен И.И. Тумановым, с 1942 по 1982 гг. он был руководителем лаборатории в Институте физиологии растений РАН, он написал монографию «Физиология закаливания и морозостойкости растений» (1979 г.).

Некоторые растения могут переносить очень низкие температуры, они живут в крайне экстремальных условиях.

Несмотря на очень суровый климат, в Антарктиде тоже можно встретить растения, среди которых представители цветковых – луговик антарктический и необычное растение колобантус кито, которое распускается красивыми жёлтыми цветочками мохоподобного вида. Это растение называют «антарктической жемчужиной».

Попав на вершины гор, например Гималаев, Анд, и Альп можно не поверить своим глазам – большие пространства снегов розовеют, как бледноватая мякоть арбуза.На таких высотах, кажется, что эти волшебные снежные полосы, всего лишь причудливые тени.

Первое упоминание об арбузном снеге появилось еще в далеком IV веке до н.э., это была работа древнегреческого философа Аристотеля «Метеорологика», но объяснений этому эффекту мудрец так и не дал.