Тема:Предмет, задачи и проблемы экологии, как науки.(2 часа)
Знать: Изменение взаимоотношений человека и природы с развитием хозяйственной деятельности; современные экологические проблемы; законы Бери коммонера; методы экологических исследований.
Уметь: Определять место человека, как биологического организма в живой природе, оценивать последствия неразумного вмешательства человека в существующее в природе равновесие.
1 Понятие экологии
2 Основные составляющие экологии
3 Предмет изучения экологии
4 Основные методы экологии
Д\з: 1 Хван Т.А., Хван П.А. «Основы экологии» серия «среднее профессиональное образование»- Ростов н\Д: «Феникс» , 2003-256 с., стр. 5-8 читать
2 Криксунов Е. А., Пасечник Е, А, «Экология» 10-11 классы: Учебник для образовательных учебных заведений- новое издание- М. «Дрофа», 2000-256с. , стр. 3-15, читать
1. Термин «экология», от греческого эйкос - дом, вместилище, логос-наука, означающих дословно «наука о доме»
Экология-наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов и среды их обитания, законы развития существования биогеоценозов как комплексов взаимодействующих живых и неживых компонентов в различных участках биосферы.
Экология тесно связана с другими биологическими дисциплинами: - зоология
Ботаника
Зоогеография
Этология
(поведение животных)
2. Основные составляющие экологии:
1 природные факторы
2 популяция
3 популяционная экология- изучение жизни отдельных популяций, определение причин их изменений.
4 биоценоз (сообщество)- устойчивое биологическое образование, т.к. обладает способностью к самоподдержанию своих природных свойств и видового состава при внешних воздействиях, вызываемых обычными изменениями климатических и других факторов.
5 экология сообщества
6 биотоп - жизненное природное пространство, занимаемое сообществом
7 экосистема- биотоп вместе с сообществом, в которых длительное время поддерживаются устойчивые взаимодействия между элементами живой и не живой природы. Границы между экосистемами размыты. Это самостоятельный объект - в ней имеется всё, что необходимо для её существования.
8 Биосфера- совокупность всех экосистем Земли. В ней протекают очень сложные процессы. Все живые организмы тесно взаимосвязаны между собой и со своим окружением, состоящим из элементов неживой природы.
9 Глобальная экология- изучение биосферы.
10 Экология человека - ставит в центр внимания человека.
Доказано, что использование человеком природных богатств при полном незнании законов природы часто приводит к тяжелым, непоправимым последствиям. Ученые констатируют, что угрозе загрязнения подвергается большинство водоёмов страны. Загрязнена атмосфера и нарушены условия жизни в большинстве крупных городов и вокруг н
Уже сейчас в некоторых районах страны жители обеспокоены даже не столько охраной природы, сколько восстановлением нормальных условий жизни.
Поэтому основы экологии как науки о нашем общем доме- Земле, должен знать каждый человек планеты. Знания основ экологии помогут разумно строить свою жизнь и обществу, и отдельному человеку.
3. Предметы изучения экологии:
1 Физиология отдельного организма в естественных условиях
2 Поведение отдельных организмов
3 Рождаемость
4 Смертность
5 Миграции
6 Внутренние отношения
7 Межвидовые отношения
8 Поток энергии
9 Круговорот веществ
4. Основные методы экологии
1 Полевые наблюдения
2 Эксперименты в природных условиях
3 Моделирование процессов и ситуаций, встречающихся в популяциях и биоценозах, с помощью вычислительной техники.
4Математическое моделирование
5 Количественная оценка изучаемых и прогнозируемых явлений, что делает возможным научный прогноз.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
Для контроля основных знаний по теме №1 и самопроверки:
1 Что изучает экология?
2 Экология. Почему это слово, ещё совсем недавно известное лишь специалистам-биологам, в настоящее время приобрело всеобщую известность?
3. Какова роль экологии в настоящее время?
4. Почему необходимо изучать экологию?
5. Как взаимосвязаны человек и окружающая среда?
6. Как изменились взаимоотношения человека и природы, по мере развития человеческой цивилизации?
7. Когда возникла экология, как наука. С чем это связано?
8. Почему в настоящий момент экология приобрела такое важное значение?
9 Кто ввёл термин «ноосфера», что он означает?
10. Какие научные направления в экологии вам известны?
11. Какая взаимосвязь существует между экологией и охраной природы?
ПЕРЕЧЕНЬ ЗАДАНИЙ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ, ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ №1.
1. Приведите примеры положительного и отрицательного воздействия деятельности человека на природную среду в нашем регионе.
2. На основе материалов из курса истории и биологии подготовьте рассказ о том, какие отношения складывались между первобытным человеком и природой.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ:
(запомните и умейте их объяснить)
Экология
Биосфера
Среда обитания
Экология сообщества
Экосистема
Популяция
Биоценоз
Ноосфера
Географическая экология
Популяционная экология
Промышленная экология
Химическая экология
Экология растений, животных, человека.
« ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ»
ТЕМА « СРЕДА, КАК ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПОНЯТИЕ. ФАКТОРЫ СРЕДЫ. СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ ОРГАНИЗМАМИ И СРЕДОЙ ИХ ОБИТАНИЯ» . (2 часа)
Знания: Термины « факторы среды», « условия существования». Законы оптимального и ограниченного действия факторов среды, неоднозначность факторов и их взаимное действие на организм, основные положения теории Ч.Дарвина, о параллельной и конвергентной эволюции.
Умения: Определять оптимальное и ограниченное действие факторов Фреды, приводить примеры приспособления организмов к различным условиям обитания, различать жизненные многообразные формы растений и животных.
1 среда, как экологическое понятие
2 экологические факторы
3 экологические условия
Домашнее задание:
1 Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Экология 10-11 классы, Учебник для общеобразовательных учебных заведений-4-е издание-М.: «Дрофа», 2000-256с.: ил. Стр. 18-12, читать.
2.Хван Т.А., Хван П.А., Основы экологии, серия «Среднее профессиональное образование», - Ростов Н/Д: «Феникс»,2003.-256с.: стр.8-12,читать.
1 Поверхность Земли её суша, воды и окружающее всё, это воздушное пространство, населённое живыми организмами биосфера (или область жизни)
Сама биосфера закономерный продукт эволюции Земли. Живое вещество играет огромную роль в приоброазованиях нашей планеты. К таким выводам пришел ВМ. Вернадский, исследовав химический состав и химическую эволюцию земной коры. Он доказал, что они не могут быть объединены только геологическими причинами, без учета роли живого вещества в геохимической миграции атомов. Биосферу можно представить как машину, состоящую из миллионов составных частей (углерод, азот, минералы, растворы, вода). Все процессы в биосфере зависят от решающего фактора- энергии (солнечное излучение), которая обеспечивает климатические особенности и состав, распределение живых организмов. Живые организмы не просто зависят от лучистой энергии солнца, а выступают, как гигантский аккумулятор (накопитель) и уникальный трансформатор (преобразователь) этой энергии.
Биосфера характеризуется высоким разнообразием природных условий, зависящих от широты и рельефа местности, от сезонных изменений климата. Но основной источник разнообразия биосферы это деятельность самих живых организмов.
Между организмами и окружающей их неживой природой происходит непрерывный обмен веществ.
Ученые считают, что в биосфере представлено более 2-х миллионов живых организмов и миллиарды особей, определенным образом распространенных в пространстве. Деятельность живых организмов создает удивительное разнообразие окружающей нас природы, что служит гарантией сохранения жизни на Земле.
В пределах биосферы можно выделить 4 основных среды обитания - водная среда, наземно-воздушная, почва и среда, образуемая самими живыми организмами.
Среда обитания - совокупность факторов и элементов, воздействующих на организм в месте его обитания.
2 Экологические факторы- любые внешние факторы, оказывающие прямое или посредственное влияние на численность и географическое распределение животных и растений.
Экологические факторы очень многообразны, как по своей природе, так и по воздействию на живые организмы.
1 абиотические
2 биотические
3 антропогенные
Абиотические - факторы неживой природы, прежде всего климатические (солнечный свет, температура, влажность воздуха) и местные (рельеф, свойства почвы, солёность, течение, ветер и т.п.). Эти факторы могут влиять на организм 2-я способами
1. прямо (непосредственно) - свет, тепло, вода.
2. косвенно (обуславливает действие прямых факторов)- рельеф.
Биотические - всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга (опыление насекомыми растений, поедание одних организмов другими, конкурентность между ними за пищу, пространство)
Виды биотических факторов:
2 косвенные
Антропогенные - те факторы деятельности человека на окружающую среду, изменяют условия обитания живых организмов или непосредственно влияют на отдельные виды растений и животных (загрязнение)
Деятельность человека оказывает на природу 2-а типа влияния:
1 прямое (потребление, размножение и расселение человеком, как отдельных видов, так и создание целых биоценозов).
2 косвенное (изменение среды обитания организмов: климат, режим рек, состояние земель и т.д.)
Любая особь, популяция, сообщество испытывает на себе действие многих факторов, но лишь некоторые из них являются жизненно важными. Такие факторы называют лимитирующими или ограничивающие. Отсутствие этих факторов или их концентрация выше или ниже критического уровня делает невозможным освоение среды особями данного вида.
В соответствии с этим, для каждого биологического вида существует:
1 оптимум фактора(величина, наиболее благоприятная для развития и существования)
2 пределы выносливости
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К ИЗМЕНЕНИЯМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
1 широкоприспособленные - виды, переживающие значительное отклонение от оптимальной величины (эвритопные)
2 узкоприспособленные (стенотопные)- виды, переживающие лишь незначительное отклонение от оптимальной нормы.
Способность видов осваивать различные среды обитания характеризуются величиной экологической валентности.
3 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ-изменяющиеся во времени и пространстве абиотические факторы среды, на которые организмы реагируют по-разному, в зависимости от их силы.
Условия среды налагают определенные ограничения на организмы.
К наиболее важным факторам, определяющим условия существования организмов, относят:
1 температура
2 влажность
5атмосферное давление
6высота над уровнем моря
ТЕМПЕРАТУРА:
Любой организм способен жить только в пределах определенного интервала температуры. По мере того как температура приближается к границам интервала, скорость изученных процессов замедляется и затем они совсем прекращаются- организм погибает.
Пределы температурной выносливости у разных организмов различны. Существуют организмы, способные выносить колебания температуры в широких пределах (тигр переносит одинаково хорошо как сибирский холод, ток и жару тропических областей Индии).
Но есть виды, которые могут жить в более или менее узких температурных условиях (тропические растения-орхидеи).
В наземно-воздушной среде и даже во многих участках водной среды температура не остаётся постоянной и может сильно варьировать в зависимости от сезона года или от времени суток. Некоторые животные совершают длительные миграции в места с более
подходящим климатом.
ВЛАЖНОСТЬ:
В физике влажность измеряется количеством водяных паров в воздухе. Однако наиболее простым показателям, характеризующим влажность той или иной местности,
является количество осадков, выпадающих здесь за год или иной период времени.
Растения извлекают воду из почвы при помощи корней. Лишайники могут улавливать
водяной пар из воздуха.
Многие животные пьют воду (млекопитающие) , некоторые насекомые через покровы тела всасывают её в жидком или парообразном состоянии.
Есть животные получающие воду в процессе окисления жиров (верблюд).
Свет необходим живой природе, т. к. служит единственным источником энергии:
Растения
светолюбивые теплолюбивые
Животные (реакция на свет)
1 положительная отрицательная
2 ночные дневные
Свет служит сигналом к перестройке протекающих в организме процессов, что
позволяет им отвечать на происхождение изменения внешних условий.
Обладает косвенным действием: усиливая испарение, увеличивает сухость.
Сильный ветер способствует охлаждению. Это действие оказывается важным в холодных местах, на высокогорьях или в полярных областях.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ (ЗАПОМНИТЬ И УМЕТЬ ИХ ОБЪЯСНИТЬ)
1 круговорот веществ
2 состав почвы
4 абиотические факторы
5 биотические факторы
6 антропогенные факторы
7 условия среды: температура, влажность,свет
8 вторичные климатические факторы
9 загрязнение вещества
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ:
1. В чем проявляется воздействие живых организмов на окружающую среду?
2Какие виды воздействия живых организмов вам известны?
3. Какова роль растений в жизни нашей планеты?
4 Что такое условия среды?
5. Какое влияние оказывает температура на различные виды организмов?
6. Каким способом животные и растения полуют необходимую им воду?
7. Какое влияние оказывает на организмы освещенность?
8. Как проявляется воздействие на организмы загрязняющие вещества?
ПЕРЕЧЕНЬ ЗАДАНИЙ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ:
1 на основании знаний из курса биологии приведите примеры, показывающие влияние организмов на разные среды жизни
2 опешите сезонные изменения условий, оказывающих наиболее заметное влияние на жизнь растений в нашей местности
ЭКОЛ?ОГИЯ (от греч. oikos - дом, жилище, местопребывание и логос - слово, учение), наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой.
Термин «экология» предложен в 1866 Э. Геккелем. Объектами экологии могут быть популяции организмов, виды, сообщества, экосистемы и биосфера в целом. С сер. 20 в. в связи с усилившимся воздействием человека на природу экология приобрела особое значенние как научная основа рационального природопользования и охраны живых организмов, а сам термин «экология» - более широкий смысл.
С 70-х гг. 20 в. складывается экология человека, или социальная экология, изучающая закономерности взаимодействия общества и окружающей среды, а также практические проблемы ее охраны; включает различные философские, социологические, экономические, географические и другие аспекты (напр., экология города, техническая экология, экологическая этика и др.). В этом смысле говорят об «экологизации» современной науки. Экологические проблемы, порожденные современным общественным развитием, вызвали ряд общественно-политических движений («Зеленые» и др.), выступающих против загрязнения окружающей среды и др. отрицательных последствий научно-технического прогресса.
ЭКОЛ?ОГИЯ (от греч. oikos - дом, жилище, местопребывание и... логия ), наука, изучающая взаимосвязи организмов с окружающей средой, т. е. совокупностью внешних факторов, влияющих на их рост, развитие, размножение и выживаемость. До некоторой степени условно факторы эти можно разделить на «абиотические», или физико-химические (температура, влажность, длина светового дня, содержание минеральных солей в почве и др.), и «биотические», обусловленные наличием или отсутствием других живых организмов (в том числе, являющихся объектами питания, хищниками или конкурентами).
Предмет экологии
В центре внимания экологии - то, что непосредственно связывает организм с окружающей средой, позволяя жить в тех или иных условиях. Экологов интересует, например, что потребляет организм и что выделяет, как быстро он растет, в каком возрасте приступает к размножению, сколько потомков производит на свет, и какова вероятность у этих потомков дожить до определенного возраста. Объектами экологии чаще всего являются не отдельно взятые организмы, а популяции, биоценозы, а также экосистемы. Примерами экосистем могут быть озеро, море, лесной массив, небольшая лужа или даже гниющий ствол дерева. Как самую большую экосистему можно рассматривать и всю биосферу.
В современном обществе под влиянием средств массовой информации, экология часто трактуется как сугубо прикладное знание о состоянии среды обитания человека, и даже - как само это состояние (отсюда такие нелепые выражения как «плохая экология» того или иного района, «экологически чистые» продукты или товары). Хотя проблемы качества среды для человека, безусловно, имеют очень важное практическое значение, а решение их невозможно без знания экологии, круг задач этой науки гораздо более широкий. В своих работах специалисты-экологи стараются понять, как устроена биосфера, какова роль организмов в круговороте различных химических элементов и процессах трансформации энергии, как разные организмы взаимосвязаны между собой и со средой своего обитания, что определяет распределение организмов в пространстве и изменение их численности во времени. Поскольку объекты экологии - это, как правило, совокупности организмов или даже комплексы, включающие наряду с организмами неживые объекты, ее определяют иногда как науку о надорганизменных уровнях организации жизни (популяциях, сообществах, экосистемах и биосфере), или как науку о живом облике биосферы.
История становления экологии
Термин «экология» был предложен в 1866 году немецким зоологом и философом Э. Геккелем, который, разрабатывая систему классификации биологических наук, обнаружил, что нет никакого специального названия для области биологии, изучающей взаимоотношения организмов со средой. Геккель определял также экологию как «физиологию взаимоотношений», хотя «физиология» понималась при этом очень широко - как изучение самых разных процессов, протекающих в живой природе.
В научную литературу новый термин входил довольно медленно и более или менее регулярно стал использоваться только с 1900-х годов. Как научная дисциплина экология формировалась в 20-м столетии, но предыстория ее восходит к 19, и даже к 18 веку. Так, уже в трудах К. Линнея, заложившего основы систематики организмов, было представление об «экономии природы» - строгой упорядоченности различных природных процессов, направленных на поддержание некоторого природного равновесия. Понималась эта упорядоченность исключительно в духе креационизма - как воплощение «замысла» Творца, специально создавшего разные группы живых существ для исполнения разных ролей в «экономии природы». Так, растения должны служить пищей травоядным животным, а хищники должны не позволять травоядным размножаться в слишком большом количестве.
Во второй половине 18-го в. на смену представлениям естественной истории, неотделимым от церковных догматов, стали приходить новые идеи, постепенное развитие которых привело к той картине мира, которая разделяется и современной наукой. Важнейшим моментом был отказ от чисто внешнего описания природы и переход к выявлению внутренних, порой скрытых, связей, определяющих ее естественное развитие. Так, И. Кант в своих лекциях по физической географии, прочитанных в университете Кенигсберга, подчеркивал необходимость целостного описания природы, которое учитывало бы взаимодействие процессов физических и тех, что связаны с деятельностью живых организмов. Во Франции, в самом начале 19 в. Ж. Б. Ламарк предложил свою, в значительной мере умозрительную концепцию круговорота веществ на Земле. Живым организмам при этом уделялась очень важная роль, поскольку предполагалось, что только жизнедеятельность организмов, приводящая к созданию сложных химических соединений, способна противостоять естественным процессам разрушения и распада. Хотя концепция Ламарка была довольно наивной и не всегда соответствовала даже тогдашнему уровню знаний в области химии, в ней были предугаданы некоторые идеи о функционировании биосферы, получившие развитие уже в начале 20-го столетия.
Безусловно, предтечей экологии можно назвать немецкого естествоиспытателя А. Гумбольдта, многие работы которого сейчас с полным правом считаются экологическими. Именно Гумбольдту принадлежит заслуга в переходе от изучения отдельных растений к познанию растительного покрова, как некоторой целостности. Заложив основы «географии растений», Гумбольдт не только констатировал различия в распределении разных растений, но и пытался их объяснить, связывая с особенностями климата.
Попытки выяснить роль тех иных факторов в распределении растительности предпринимались и другими учеными. В частности, этот вопрос исследовал О. Декандоль, подчеркнувший важность не только физических условий, но и конкуренции между разными видами за общие ресурсы. Ж. Б. Буссенго заложил основы агрохимии, показав, что все растения нуждаются в азоте почвы. Он же выяснил, что для успешного завершения развития растению необходимо определенное количество тепла, которое можно оценить, суммируя температуры за каждый день для всего периода развития. Ю. Либих показал, что разные химические элементы, необходимые растению, являются незаменимыми. Поэтому если растению не хватает какого-либо одного элемента, например, фосфора, то недостаток его никак не может быть компенсирован добавлением другого элемента - азота или калия. Данное правило, ставшее потом известным как «закон минимума Либиха», сыграло важную роль при внедрении в практику сельского хозяйства минеральных удобрений. Свое значение оно сохраняет и в современной экологии, особенно при изучении факторов, ограничивающих распределение или рост численности организмов.
Выдающуюся роль в подготовке научного сообщества к восприятию в дальнейшем экологических идей имели работы Ч. Дарвина, прежде всего его теория естественного отбора как движущей силы эволюции. Дарвин исходил из того, что любой вид живых организмов может увеличивать свою численность в геометрической прогрессии (по экспоненциальному закону, если пользоваться современной формулировкой), а поскольку ресурсов для поддержания растущей популяции вскоре начинает не хватать, то между особями обязательно возникает конкуренция (борьба за существование). Победителями в этой борьбе оказываются особи, наиболее приспособленные к данным конкретным условиям, т. е. сумевшие выжить и оставить жизнеспособное потомство. Теория Дарвина сохраняет свое непреходящее значение и для современной экологии, нередко задавая направление поиска определенных взаимосвязей и позволяя понять суть разных «стратегий выживания», используемых организмами в тех или иных условиях.
Во второй половине 19 века исследования, которые по сути своей были экологическими, стали проводиться во многих странах, причем как ботаниками, так и зоологами. Так, в Германии, в 1872 г. выходит капитальный труд Августа Гризебаха (1814-1879), впервые давшего описание основных растительных сообществ всего земного шара (эти работы были изданы и на русском языке), а в 1898 г. - крупная сводка Франца Шимпера (1856-1901) «География растений на физиологической основе», в которой приведено множество подробных сведений о зависимости растений от различных факторов среды. Еще один немецкий исследователь - Карл Мебиус, изучая воспроизводство устриц на отмелях (так называемых устричных банках) Северного моря, предложил термин «биоценоз», которым обозначил совокупность различных живых существ, обитающих на одной территории и между собой тесно взаимосвязанных.
На рубеже 19 и 20 столетий само слово «экология», почти не использовавшееся в первые 20-30 лет после того, как оно было предложено Геккелем, начинает употребляться все чаще и чаще. Появляются люди, называющие себя экологами и стремящиеся развивать именно экологические исследования. В 1895 г. датский исследователь Й. Э. Варминг публикует учебное пособие по «экологической географии» растений, вскоре переведенное на немецкий, польский, русский (1901 г.), а потом и на английский языки. В это время экология чаще всего рассматривается как продолжение физиологии, только перенесшей свои исследования из лаборатории непосредственно в природу. Основное внимание уделяется при этом изучению воздействия на организмы тех или иных факторов внешней среды. Иногда, однако, ставятся совсем новые задачи, например, выявить общие, регулярно повторяющиеся черты в развитии разных природных комплексов организмов (сообществ, биоценозов).
Важную роль в формировании круга проблем, изучаемых экологией, и в становлении ее методологии сыграло, в частности, представление о сукцессии. Так, в США Генри Каульс (1869-1939) восстановил детальную картину сукцессии, изучая растительность на песчаных дюнах около озера Мичиган. Дюны эти образовались в разное время, и потому на них можно было найти сообщества разного возраста - от самых молодых, представленных немногими травянистыми растениями, которые способны расти на зыбучих песках, до наиболее зрелых, являющих собой настоящие смешанные леса на старых закрепленных дюнах. В дальнейшем концепцию сукцессии детально разрабатывал другой американский исследователь - Фредерик Клементс (1874-1945). Сообщество он трактовал как в высшей мере целостное образование, чем-то напоминающее организм, например, как и организм, претерпевающее определенное развитие - от молодости до зрелости, а потом и старости. Клементс полагал, что если на начальных этапах сукцессии разные сообщества в одной местности могут сильно различаться, то на более поздних они становятся все более и более сходными. В конце концов, оказывается так, что для каждой области с определенным климатом и почвой характерно только одно зрелое (климаксное) сообщество.
Растительным сообществам немало внимания уделялось и в России. Так, Сергей Иванович Коржинский (1861-1900), изучая границу лесной и степной зон, подчеркнул, что помимо зависимости растительности от климатических условий, не менее важно и воздействие самих растений на физическую среду, их способность делать ее более пригодной для произрастания других видов. В России (а потом и в СССР) для развития исследований растительных сообществ (или иначе говоря - фитоценологии) важное значение имели научные труды и организаторская деятельность В. Н. Сукачева. Сукачев одним из первых начал экспериментальные исследования конкуренции и предложил свою классификацию разных типов сукцессии. Он постоянно разрабатывал учение о растительных сообществах (фитоценозах), которые трактовал как целостные образования (в этом был близок к Клементсу, хотя идеи последнего очень часто критиковал). Позже, уже в 1940-х годах, Сукачев сформулировал представление о биогеоценозе - природном комплексе, включающем не только растительное сообщество, но также почву, климатические и гидрологические условия, животных, микроорганизмы и т. д. Исследование биогеоценозов в СССР нередко считали самостоятельной наукой - биогеоценологией. В настоящее время биогеоценология обычно рассматривается как часть экологии.
Для превращения экологии в самостоятельную науку очень важными были 1920-1940-е годы. В это время публикуется ряд книг по разным аспектам экологии, начинают выходить специализированные журналы (некоторые из них существуют до сих пор), возникают экологические общества. Но самое главное - постепенно формируется теоретическая основа новой науки, предлагаются первые математические модели и вырабатывается своя методология, позволяющая ставить и решать определенные задачи. Тогда же оформляются два достаточно разных подхода, существующие и в современной экологии: популяционный - уделяющий основное внимание динамике численности организмов и их распределению в пространстве, и экосистемный - концентрирующийся на процессах круговорота вещества и трансформации энергии.
Развитие популяционного подхода
Одной из важнейших задач популяционной экологии было выявление общих закономерностей динамики численности популяций - как отдельно взятых, так и взаимодействующих (например, конкурирующих за один ресурс или связанных отношениями «хищник-жертва»). Для решения этой задачи использовались простые математические модели - формулы, показывающие наиболее вероятные связи между отдельными, характеризующими состояние популяции величинами: рождаемостью, смертностью, скоростью роста, плотностью (числом особей на единицу пространства), и др. Математические модели позволяли проверять следствия разных допущений, выявив необходимые и достаточные условия для реализации того или иного варианта популяционной динамики.
В 1920 г. американский исследователь Р. Перль (1879-1940) выдвинул так называемую логистическую модель популяционного роста, предполагающую, что по мере увеличения плотности популяции скорость ее роста снижается, становясь равной нулю при достижении некоторой предельной плотности. Изменение численности популяции во времени описывалось таким образом S-образной кривой, выходящей на плато. Перль рассматривал логистическую модель как универсальный закон развития любой популяции. И хотя вскоре выяснилось, что это далеко не всегда так, сама идея о наличии некоторых основополагающих принципов, проявляющихся в динамике множества разных популяций, оказалась очень продуктивной.
Внедрение в практику экологии математических моделей началось с работ Альфреда Лотки (1880-1949). Свой метод он сам называл «физической биологией» - попыткой упорядочить биологическое знание с помощью подходов, обычно применяемых в физике (в том числе - математических моделей). В качестве одного из возможных примеров он предложил простую модель, описывающую сопряженную динамику численности хищника и жертвы. Модель показала, что если вся смертность в популяции жертвы определяется хищником, а рождаемость хищника зависит только от обеспеченности его кормом (т. е. числа жертв), то численность и хищника, и жертвы совершает правильные колебания. Затем Лотка разработал модель конкурентных отношений, а также показал, что в популяции, увеличивающей свою численность по экспоненте, всегда устанавливается постоянная возрастная структура (т. е. соотношение долей особей разного возраста). Позднее им же были предложены методы расчета ряда важнейших демографических показателей. Примерно в эти же годы итальянский математик В. Вольтерра, независимо от Лотки, разработал модель конкуренции двух видов за один ресурс и показал теоретически, что два вида, ограниченных в своем развитии одним ресурсом, не могут устойчиво сосуществовать - один вид неизбежно вытесняет другой.
Теоретические исследования Лотки и Вольтерры заинтересовали молодого московского биолога Г. Ф. Гаузе. Он предложил свою, гораздо более понятную биологам, модификацию уравнений, описывающих динамику численности конкурирующих видов, и впервые осуществил экспериментальную проверку этих моделей на лабораторных культурах бактерий, дрожжей и простейших. Особенно удачными были опыты по конкуренции между разными видами инфузорий. Гаузе удалось показать, что виды могут сосуществовать только в том случае, если они ограничены разными факторами, или, иначе говоря, - если они занимают разные экологические ниши. Данное правило, получившее название «закона Гаузе», долгое время служило отправной точкой в обсуждении межвидовой конкуренции и ее роли в поддержании структуры экологических сообществ. Результаты работ Гаузе были опубликованы в ряде статей и книге «Борьба за существование» (1934), которая при содействии Перла вышла на английском языке в США. Книга эта имела громадное значение для дальнейшего развития теоретической и экспериментальной экологии. Она несколько раз переиздавалась и до сих пор часто цитируется в научной литературе.
Изучение популяций происходило не только в лаборатории, но и непосредственно в полевой обстановке. Важную роль в определении общей направленности таких исследований сыграли работы английского эколога Чарлза Элтона (1900-1991), особенно его книга «Экология животных», опубликованная впервые в 1927, а потом не раз переиздававшаяся. Проблема динамики численности выдвигалась в этой книге как одна из центральных для всей экологии. Элтон обратил внимание на циклические колебания численности мелких грызунов, происходившие с периодом в 3-4 года, а, обработав многолетние данные о заготовке пушнины в Северной Америке, выяснил, что зайцы и рыси тоже демонстрируют циклические колебания, но пики численности наблюдаются примерно раз в 10 лет. Много внимания Элтон уделял изучению структуры сообществ (предполагая, что структура эта строго закономерна), а также цепям питания и так называемым «пирамидам чисел» - последовательному уменьшению численности организмов по мере перехода от нижних трофических уровней к более высоким - от растений к травоядным, а от травоядных к хищникам. Популяционный подход в экологии долгое время развивался преимущественно зоологами. Ботаники же больше исследовали сообщества, которые чаще всего трактовали как целостные и дискретные образования, между которыми довольно легко провести границы. Тем не менее, уже в 1920-е годы отдельные экологи высказывали «еретические» (для того времени) взгляды, согласно которым разные виды растений могут по-своему реагировать на определенные факторы внешней среды, а их распределение вовсе не обязательно должно совпадать с распределением других видов того же сообщества. Из этого следовало, что границы между разными сообществами могут быть весьма размытыми, а само выделение их условно.
Наиболее четко такой, опережающей свое время, взгляд на растительное сообщество был развит российским экологом Л. Г. Раменским. В 1924 в небольшой статье (ставшей потом классической) он сформулировал основные положения нового подхода, подчеркнув, с одной стороны, экологическую индивидуальность растений, а с другой - «многомерность» (т. е. зависимость от многих факторов) и непрерывность всего растительного покрова. Неизменными Раменский считал только законы сочетаемости разных растений, которые и следовало изучать. В США совершенно независимо сходные взгляды примерно в те же годы развивал Генри Аллан Глисон (1882-1975). В его «индивидуалистической концепции», выдвинутой в качестве антитезы представлениям Клементса о сообществе как об аналоге организма, также подчеркивалась независимость распределения разных видов растений друг от друга и непрерывность растительного покрова. По-настоящему работы по изучению популяций растений развернулись только в 1950-х и даже 1960-х годах. В России бесспорным лидером этого направления был Тихон Александрович Работнов (1904-2000), а в Великобритании - Джон Харпер.
Развитие экосистемных исследований
Термин «экосистема» был предложен в 1935 видным английским экологом-ботаником Артуром Тенсли (1871-1955) для обозначения естественного комплекса живых организмов и физической среды, в которой они обитают. Однако исследования, которые с полным основанием можно назвать экосистемными, начали проводиться значительно раньше, а бесспорными лидерами здесь были гидробиологи. Гидробиология, а особенно - лимнология с самого начала были комплексными науками, имевшими дело сразу со многими живыми организмами, и с их средой. Изучались при этом не только взаимодействия организмов, не только их зависимость от среды, но и, что не менее важно, - влияние самих организмов на физическую среду. Нередко объектом исследований для лимнологов был целый водоем, в котором физические, химические и биологические процессы теснейшим образом взаимосвязаны. Уже в самом начале 20-го века американский лимнолог Эдвард Бердж (1851-1950) с помощью строгих количественных методов изучает «дыхание озер» - сезонную динамику содержания в воде растворенного кислорода, которая зависит как от процессов перемешивания водной массы и диффузии кислорода из воздуха, так и от жизнедеятельности организмов. Существенно, что среди последних как производители кислорода (планктонные водоросли), так и его потребители (большинство бактерий и все животные). В 1930-х годах большие успехи в изучении круговорота вещества и трансформации энергии были достигнуты в Советской России на Косинской лимнологической станции под Москвой. Возглавлял станцию в это время Леонид Леонидович Россолимо (1894-1977), предложивший так называемый «балансовый подход», уделяющий основное внимание круговороту веществ и трансформации энергии. В рамках этого подхода начал свои исследования первичной продукции (т. е. создания автотрофами органического вещества) и Г. Г. Винберг, используя остроумный метод «темных и светлых склянок». Суть его в том, что о количестве образовавшегося при фотосинтезе органического вещества судят по количеству выделившегося кислорода.
Спустя три года аналогичные измерения были осуществлены в США Г. А. Райли. Инициатором этих работ был Джордж Эвелин Хатчинсон (1903-1991), который своими собственными исследованиями, а также горячей поддержкой начинаний многих талантливых молодых ученых, оказал значительное влияние на развитие экологии не только в США, но и во всем мире. Перу Хатчинсона принадлежит «Трактат по лимнологии» - серия из четырех томов, представляющая собой самую полную в мире сводку по жизни озер.
В 1942 в журнале «Эколоджи» вышла статья ученика Хатчинсона, молодого и, к сожалению, очень рано умершего эколога - Раймонда Линдемана (1915-1942), в которой была предложена общая схема трансформации энергии в экосистеме. В частности, было теоретически продемонстрировано, что при переходе энергии с одного трофического уровня на другой (от растений к травоядным животным, от травоядных - к хищникам) количество ее уменьшается и организмам каждого последующего уровня оказывается доступной только малая часть (не более 10%) от той энергии, что была в распоряжении организмов предыдущего уровня.
Для самой возможности проведения экосистемных исследований очень важным было то, что при колоссальном разнообразии форм организмов, существующих в природе, число основных биохимических процессов, определяющих их жизнедеятельность (а следовательно - и число основных биогеохимических ролей!), весьма ограничено. Так, например, самые разные растения (и цианобактерии) осуществляют фотосинтез, при котором образуется органическое вещество и выделяется свободный кислород. А поскольку конечные продукты одинаковы, то можно суммировать результаты активности сразу большого числа организмов, например, всех планктонных водорослей в пруду, или всех растений в лесу, и таким образом оценить первичную продукцию пруда или леса. Ученые, стоявшие у истоков экосистемного подхода, хорошо это понимали, а разработанные ими представления легли в основу тех крупномасштабных исследований продуктивности разных экосистем, которые получили развитие в разных природных зонах уже в 1960-1970-х годах.
К экосистемному подходу примыкает по своей методологии и изучение биосферы. Термин «биосфера» для обозначения области на поверхности нашей планеты, охваченной жизнью, был предложен в конце 19-го века австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако в деталях представление о биосфере, как о системе биогеохимических циклов, основной движущей силой которых является активность живых организмов («живого вещества»), было разработано уже в 1920-30-х годах российским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским (1863-1945). Что касается непосредственных оценок этих процессов, то их получение и постоянное уточнение развернулось только во второй половине 20-го века, и продолжается до сих пор.
Развитие экологии в последние десятилетия 20-го века
Во второй половине 20-го в. завершается становление экологии как самостоятельной науки, имеющей собственную теорию и методологию, свой круг проблем, и свои подходы к их решению. Математические модели постепенно становятся более реалистичными: их предсказания могут быть проверены в эксперименте или наблюдениями в природе. Сами же эксперименты и наблюдения все чаще планируются и проводятся так, чтобы полученные результаты позволяли принять или опровергнуть заранее выдвинутую гипотезу. Заметный вклад в становление методологии современной экологии внесли работы американского исследователя Роберта Макартура (1930-1972), удачно сочетавшего в себе таланты математика и биолога-натуралиста. Макартур исследовал закономерности соотношения численностей разных видов, входящих в одно сообщество, выбор хищником наиболее оптимальной жертвы, зависимость числа видов, населяющих остров, от его размера и удаленности от материка, степень допустимого перекрывания экологических ниш сосуществующих видов и ряд других задач. Констатируя наличие в природе некой повторяющейся регулярности («паттерна»), Макартур предлагал одну или несколько альтернативных гипотез, объясняющих механизм возникновения данной регулярности, строил соответствующие математические модели, а затем сопоставлял их с эмпирическими данными. Свою точку зрения Макартур очень четко сформулировал в книге «Географическая экология» (1972), написанной им, когда он был неизлечимо болен, за несколько месяцев до своей безвременной кончины.
Подход, который развивали Макартур и его последователи, был ориентирован прежде всего на выяснение общих принципов устройства (структуры) любых сообществ. Однако, в рамках подхода, получившего распространение несколько позже, в 1980-х гг., основное внимание было перенесено на процессы и механизмы, в результате которых происходило формирование этой структуры. Например, при изучении конкурентного вытеснения одного вида другим, экологи стали интересоваться прежде всего механизмами этого вытеснения и теми особенностями видов, которые предопределяют исход их взаимодействия. Выяснилось, например, что при конкуренции разных видов растений за элементы минерального питания (азот или фосфор) победителем часто оказывается не тот вид, который в принципе (при отсутствии дефицита ресурсов) может расти быстрее, а тот, который способен поддерживать хотя бы минимальный рост при более низкой концентрации в среде этого элемента.
Особое внимание исследователи стали уделять эволюции жизненного цикла и разным стратегиям выживания. Поскольку возможности организмов всегда ограничены, а за каждое эволюционное приобретение организмам приходится чем-то расплачиваться, то между отдельными признаками неизбежно возникают четко выраженные отрицательные корреляции (так называемые «трейдоффы»). Нельзя, например, растению очень быстро расти и в то же время образовывать надежные средства защиты от травоядных животных. Изучение подобных корреляций позволяет выяснить, как в принципе достигается сама возможность существования организмов в тех или иных условиях.
В современной экологии по-прежнему сохраняют свою актуальность некоторые проблемы, имеющие уже давнюю историю исследований: например, установление общих закономерностей динамики обилия организмов, оценка роли разных факторов, ограничивающих рост популяций, выяснение причин циклических (регулярных) колебаний численности. В этой области достигнут значительный прогресс - для многих конкретных популяций выявлены механизмы регуляции их численности, в том числе и тех, которые порождают циклические изменения численности. Продолжаются и исследования взаимоотношений типа «хищник-жертва», конкуренции, а также взаимовыгодного сотрудничества разных видов - мутуализма.
Новым направлением последних лет является так называемая макроэкология - сравнительное изучение разных видов в масштабах больших пространств (сопоставимых с размерами континентов).
Громадный прогресс в конце 20-го столетия достигнут в изучении круговорота веществ и потока энергии. Прежде всего это связано с совершенствованием количественных методов оценки интенсивности тех или иных процессов, а также с растущими возможностями широкомасштабного применения этих методов. Примером может быть дистанционное (со спутников) определение содержания хлорофилла в поверхностных водах моря, позволяющее составить карты распределения фитопланктона для всего Мирового океана и оценить сезонные изменения его продукции.
Современное состояние науки
Современная экология - это быстро развивающаяся наука, характеризующаяся своим кругом проблем, своей теорией и своей методологией. Сложная структура экологии определяется тем, что объекты ее относятся к очень разным уровням организации: от целой биосферы и крупных экосистем до популяций, причем популяция нередко рассматривается как совокупность отдельных особей. Масштабы пространства и времени, в которых происходят изменения этих объектов, и которые должны быть охвачены исследованиями, также варьируют чрезвычайно широко: от тысяч километров до метров и сантиметров, от тысячелетий до недель и суток. В 1970-е гг. формируется экология человека. По мере давления на окружающую среду возрастает практическое значение экологии, ее проблемами широко интересуются философы и социологи.
Содержание современной горной экологии как науки раскрывается в последовательном воплощении следующей идеи: решение экологических проблем освоения недр может быть достигнуто лишь в процессе экологического управления собственно производством на всех его стадиях (создания, функционирования, прекращения деятельности и устранения его последствий).
Практика освоения недр дает немало подтверждающих примеров. Создание экологически сбалансированных техногенных ландшафтов; поиски, геологическая разведка и использование особых горных массивов и геологических структур для размещения в них специальных объектов; целенаправленное складирование вскрышных горных пород и отходов переработки полезных ископаемых и последующее их сохранение как складов промпродуктов; внутреннее отвалообразование и многое другое свидетельствует о появлении устойчивой тенденции к тому, чтобы подобное управление было направлено на сохранение и увеличение национального богатства, включая и его природную часть, относящуюся к недрам, при том, что все георесурсы в районе освоения - природные и техногенные - могли бы быть эффективно и экологически безопасно использованы горными предприятиями.
Приоритетные направления научных исследований определяются этими обстоятельствами.
К числу первоочередных направлений относятся следующие.
1. Изучение комплексного освоения недр как фактора экологической опасности
Оно включает в себя:
- изучение и систематизацию фактов (проявлений) и тенденций, выражающих различного рода изменения окружающей среды под действием освоения недр;
- наблюдение и описание процессов геосистемного взаимодействия элементов и подсистем производства и среды;
- выявление и изучение экологических закономерностей техногенного преобразования недр;
- прогноз экологических последствий структурных и технологических изменений в освоении недр;
- анализ локальных, региональных и отраслевых факторов в экологических оценках состояния окружающей среды.
Можно назвать немало примеров, когда недостаточная экологическая изученность освоения недр приводит по прошествии времени к неблагоприятным, а в некоторых случаях и опасным последствиям.
Так, исследованиями Горного института Кольского научного центра (ГОИ КНЦ) РАН показано существование для района Хибин (Кольский полуостров) выраженной связи между масштабом горных работ, а именно накопленным объемом извлеченной из недр и складированной на поверхности породы (в том числе отходов переработки полезных ископаемых) и проявлениями горного давления в динамичной форме.
В период 1978-1990 годов на рудниках ПО «Апатит», более чем через 40 лет с начала подземной добычи, произошло более 20 горных ударов, из них 16 - на Кировском руднике. Сила удара, который классифицирован специалистами как техногенное землетрясение, зафиксированного на Кировском руднике 16 апреля 1989 года, достигала 5,5-6 баллов. Землетрясение записано всеми сейсмическими станциями Скандинавских стран и Европейской части бывшего Союза, оно вызывало нарушения целостности зданий в Кировске и пос. Кукисвумчорр. На самом руднике во всех выработках, пересекаемых тектоническим нарушением, произошли выбросы породы объемом 1-1,5 м3, разрушена крепь, деформированы рельсовые пути и кран-балки, деформированы и смещены проводники и направляющие главного ствола и лифтового восстающего. Разрушены бетонные фундаменты оборудования.
Как показали исследования, в Хибинах большинство землетрясений происходит вблизи действующих рудников и в южной части массива, где созданы большие хвостохранилища обогатительных фабрик и ГРЭС, т.е. где техногенное воздействие на поверхность весьма велико.
Наиболее сильные геодинамические события, подобные землетрясениям и обусловленные освоением недр, отмечены в последние годы также в Германии на калийном месторождении Верра, Остраво-Карвинском угольном бассейне Словакии, на Северо- и Южноуральских бокситовых рудниках, на железорудном Таштагольском месторождении в Горной Шории и др.
Совместно с определенными природными условиями (высокопрочные хрупкие породы с тектоническими неоднородностями в пределах зоны горных работ, гористый рельеф, высокий уровень горизонтальных тектонических напряжений в массиве, зоны с большими градиентами скоростей новейших тектонических движений) крупномасштабное освоение недр и взрывные воздействия при горных работах создают необходимую совокупность условий для формирования техногенных землетрясений.
Известны также случаи мощных подвижек в верхней части земной коры, спровоцированных интенсивной эксплуатацией нефтяных и газовых месторождений.
Изучение природных и техногенных процессов, подводящих к возникновению возможности зарождения и реализации подобного рода явлений, позволит более глубоко познать их механизм и разработать достаточную систему предупреждающих мер.
2. Создание научных основ мониторинга изменений в окружающей природной среде под действием освоения недр
Актуальными представляются следующие области исследований:
- систематизация и параметризация изменений состояния природных объектов при различных техногенных воздействиях на них;
- методы наблюдения и измерения параметров состояния природных объектов, особенно для медленно нестационарно протекающих процессов при малых амплитудах возмущающих воздействий;
- проблемы технического и программного обеспечения мониторинга различных видов.
Систематизированное представление о воздействии горнодобывающих предприятий на природную среду и о соответствующих факторах, важное для научного обоснования мониторинга, раскрывается в связи с анализом отдельных аспектов такого воздействия.
Вид и характер воздействия в первую очередь определяется его источниками. Для горнодобывающих предприятий перечень таких источников известен, в целом он постоянен и достаточно изучен. Источники техногенных воздействий на среду полностью соотносятся с технологическими процессами, в которых реализуется геологоразведка полезных ископаемых, инженерное обустройство территории, добыча и переработка полезных ископаемых, строительство поверхностного комплекса и объектов производственной и социальной инфраструктуры. Это - разрушение массива горных пород, их извлечение на поверхность, складирование отходов, перегрузка полезных ископаемых, дробление горных пород и их измельчение при переработке, сушка, окомкование, химическое разложение, транспортирование и многое другое.
Характер воздействия во многом зависит от конкретного сочетания природных ресурсов (с их местными особенностями) и отдельных природных объектов в составе лито-, гидро- и атмосферы, в чем состоят конкретные особенности местных биогеоценозов.
Воздействия на природную среду могут быть классифицированы по интенсивности, т.е. по скорости изменения исходного состояния природных объектов - элементов биогеоценозов.
По этому признаку среди воздействий следует различать: катастрофические (приводящие, например, к техногенным землетрясениям или внезапным крупным проседаниям поверхности), сильные (следствием чего являются, в частности, сейсмические нарушения целостности природных откосов), средней силы, слабые и незначительные.
Системность воздействий, как и системность проявления последствий этого, представляет важную их характеристику, и по этому признаку целесообразно различать воздействия системные, комплексные и локальные. К первым следует отнести образование крупных полостей в геологических блоках (карьерного пространства, например), которое влечет за собой изъятие земель, сокращение площадей сельхозугодий, дренирование поверхностных вод и осушение массива пород в целом, повышение уровня запыленности и загазованности территории, в некоторых случаях изменение геодинамического режима района и многое другое, т.е. имеет следствием глубокое преобразование биогеоценоза по его структуре, исходному состоянию, энергетическому потенциалу, качеству природных ресурсов, биологическому разнообразию, устойчивости.
В сравнении с этим примером системного воздействия засоление почв в результате вымывания атмосферными осадками солей из отвалов пород, образующихся в результате работы калийных рудников, можно отнести к комплексным воздействиям, влияние которых распространяется не на все природные среды, а в некоторых из них не является масштабным и интенсивным.
3. Идентификация экологических процессов, разработка критериев и методов инженерно-экологических и эколого-экономических оценок изменений в окружающей природной среде
Наиболее важным здесь следует считать:
- разработку методов оценки техногенной нагрузки на объекты окружающей природной среды и экологической опасности;
- создание научных основ экологического нормирования техногенного воздействия на природные объекты и природную среду, экологической сертификации и экспертизы;
- совершенствование методов экономической оценки экологических последствий изучения, освоения и сохранения недр;
- установление граничных условий в процессах взаимодействия природных и техногенных геосистем.
Распознавание тех процессов, которые обусловлены взаимодействием природных и техногенных геосистем и могут приобрести экологическую значимость, как и установление необходимых по экологическим условиям ограничений для режима протекания этих процессов возможно лишь в том случае, если может быть установлено и оценено качество природной среды. Вне этого условия исследование каких бы то ни было аспектов обеспечения экологической безопасности освоения недр лишены смысла.
Экологические критерии качества окружающей природной среды включают, в частности, высокую биологическую продуктивность (для данных климатических условий), оптимальное соотношение видов, биомассы популяций, находящихся на различных трофических уровнях. При этом отмечается, что «... высокое (или приемлемое) качество природной среды... означает:
а) возможность устойчивого существования и развития исторически сложившейся, созданной или преобразованной человеком экосистемы в данном месте;
б) отсутствие в настоящем и будущем неблагоприятных последствий у любой (или наиболее важной) популяции (в первую очередь у человека, причем подразумевается отсутствие неблагоприятных условий для каждого человека), которая находится в этом месте исторически или временно».
Как видно, практически сейчас применяемый и необходимый подходы для оценки качества окружающей среды отличаются друг от друга принципиально.
Научная проблема создания соответствующей теории и методов экологического нормирования качества природной среды при освоении недр очевидна.
Принимая во внимание, что многие важнейшие по масштабу, интенсивности и опасности воздействия на природную среду со стороны горного производства имеют необратимые последствия, следует признать, что сохранить природную среду на территории освоения недр в ее естественном исходном состоянии не представляется возможным.
Поэтому для данного случая единственно реальным подходом является установление качества природной среды совместно с экологическими оценками освоения недр в процессе оптимизации параметров состояния геосистем.
4. Оптимизация экологических параметров природно-технических систем
Для развития этого научного направления необходимо:
- совершенствование моделирования взаимодействия природных и техногенных геосистем как изменяющихся во времени целостных сложных объектов;
- исследование экологического риска в процессах освоения недр;
- выявление, систематизация и установление закономерностей изменения свойств природно-технических систем (целостности, устойчивости и др.).
В горной экологии оптимизация связана в первую очередь как с необходимостью, так и с особенностями установления граничных условий развития техногенных геосистем в процессах их взаимодействия с природными объектами при освоении недр с целью обеспечения экологической безопасности.
Такая ориентированность науки находит свое выражение в постановке задач оптимизации.
Для биологических, экологических систем задачи их изучения ставятся и последовательно усложняются исследователями, руководствующимися во многом возможностью использования разработанных методов их решения, которые, в свою очередь, основаны на достижениях математических или физико-математических разделов науки.
Решение многих задач экологии, где устанавливаются параметры изменения численности популяций, основано на использовании и развитии ставшего классическим математического аппарата, созданного В. Вальтерра для исследования процессов борьбы за существование.
Сейчас практически повсеместно экологические задачи решаются с применением математических моделей, в которых процессы описываются дифференциальными уравнениями.
В задачах экологической оптимизации, понимаемой в широком смысле, самостоятельное и большое значение могут приобрести оценки экологического риска. В настоящее время исследования экологического риска имеют постановочный характер, однако экологическое состояние большинства горнопромышленных регионов таково, что оценки экологического риска осуществления хозяйственных и технических мероприятий, связанных с освоением недр и изменяющих экологическую ситуацию, приобретают жизненную важность.
Таким образом, анализ положения дел показывает, что освоение недр порождает крупные экологические проблемы. В их решении важнейшее значение с научной точки зрения имеет устранение все более очевидного расхождения между системным, интенсивно расширяющимся и углубляющимся взаимодействием окружающей природной среды с техногенными объектами и процессами и в основном описательным, фрагментарным характером существующих знаний со слабо развитой расчетно-аналитической базой, что обусловлено необходимостью устранения лишь непосредственно наблюдаемых отрицательных экологических последствий осуществления локальных технических решений. К этому следует добавить, что темпы, которыми идет накопление новых горноэкологических знаний, существенно уступают темпам, с которыми происходит усугубление экологической ситуации в горнодобывающих регионах.
Научное развитие в области горной экологии должно быть ориентировано в связи с этим в направлении придания исследованиям системного аналитического характера, отвечающего особенностям функционирования природно-технических (природно-экономических и др.) геосистем, в которых реально организуется освоение недр.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Новые направления в исследовании экологии
В экологических исследованиях по традиции выделяют два направления - аутэкологию и синэкологию.
Аутэкология концентрирует свое внимание на взаимоотношениях между организмом или популяцией и окружающей средой, тогда как синэкология занимается сообществами и средой.
Например, изучение отдельного экземпляра дуба или вида дуб черешчатый (Quercus robur) или рода дуб (Quercus) будет аутэкологическим исследованием, а изучение сообщества дубового леса - синэкологическим.
Современные исследователи выделяют более 100 направлений в экологии, которые можно объединить в 5 ветвей экологии:
1. Глобальная экология - изучение возможных глобальных сдвигов в биосфере под воздействием различных факторов (космические воздействия, процессы в недрах Земли
2. Биологическая экология - включает в себя:
1) аутэкологию (экологию естественных биологических систем - особей, видов);
2) демэкологию (популяционную экологию);
3) синэкологию (экология многовидовых сообществ, биоценозов), биогеоценологию (экологических систем).
3. Экологию систематических групп организмов - бактерий, грибов, растений, животных;
4. Эволюционную экологию.
5. Экология человека или социальная экология - исследует взаимодействие человека с окружающей средой.
6. Геоэкология - изучает взаимоотношения организмов и среды обитания, их географическую принадлежность.
Включает в себя экологию сред:
(воздушной, наземной, почвенной, пресноводной, морской); экологию природно-климатических зон (тундры, тайги, степи, пустыни, гор, ландшафтов).
7. Прикладная экология - комплекс дисциплин, изучающих взаимоотношения между человеческим обществом и природой. Выделяют следующие прикладные разделы экологии:
Инженерная экология;
Сельскохозяйсвтенная экология;
Урбоэкология;
Биоресурсная и промысловая экология;
Медицинская экология.
В последнее время в экологии принято выделять разделы в зависимости от конкретного биологического объекта (экология растений, экология животных, экология микроорганизмов), среды, местообитания организмов (экология суши, экология озера, моря, экология почвы, гидросферы), уровня организации живого. Одним из разделов экологии является экология человека. В экологии человека выделяют два важных направления. Одно связано с влиянием природной среды и ее компонентов на антропосистему (все структурные уровни человечества, все группы людей и индивидуумы), другое вытекает из необходимости изучать последствия антропогенной деятельности.
Современная экология включает в себя следующие направления. В состав современной экологии входят:
Общая (классическая) экология, изучающая взаимодействия биологических систем с окружающей средой;
Геоэкология (ландшафтная экология), исследующая экосистемы (геоэкосистемы) высоких уровней, до биосферного включительно; интересы геоэкологии сосредоточены на анализе структуры и функционирования ландшафтов (природных комплексов географического ранга), взаимоотношений их составных биотических и косных (абиотических, неживых) компонентов, воздействия общества на природные составляющие;
Глобальная экология, изучающая общие законы функционирования биосферы как глобальной экологической системы;
Социальная экология, рассматривающая взаимоотношения в системе «общество - природа»;
Прикладная экология, изучающая механизмы воздействия человека на биосферу, способы предотвращения негативного воздействия и его последствий, разрабатывающая принципы рационального использования природных ресурсов. Она базируется на законах, правилах и принципах экологии и природопользования.
Рисунок - Структура современной экологии:
Одним из направлений современной экологии является экономическая экология, связанная с использованием природных ресурсов. Успешно развивается инженерная экология, решающая вопросы устранения отрицательных последствий вмешательства человека в природные сообщества. При всем многообразии в современной экологии можно выделить три ветви: общая экология (классическая экология), геоэкология и прикладная экология.
Проанализировав понятие классической экологии, можно выделить следующие: организм биологический экологический
Классическая экология изучает биологические системы, т. е. занимается исследованием органического мира на уровнях особей, популяций, видов, сообществ.
В связи с этим выделяют:
Аутэкологию (экологию особей) - (от греч. аutos - сам) - устанавливает пределы существования особи (организма) в окружающей среде, изучает реакции организмов на воздействия факторов среды. Аутэкология в качестве живой системы рассматривает отдельный живой организм - растение, животное или микроорганизм. Термин «аутэкология» был введен швейцарским ботаником К. Шретером в 1896 г.;
Демэкологию (экологию популяций) - (от греч. demos - народ) - изучает естественные группы особей одного вида - популяции, условия их формирования, внутрипопуляционные взаимоотношения, динамику численности;
Эйдэкологию (экологию видов) - (от греч. eidos - образ, вид) - изучает вид как определенный уровень организации живой природы. В этом направлении проведено еще недостаточно научных исследований;
Синэкологию (экологию сообществ) - (от греч. sin - вместе) - изучает ассациации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, их взаимодействие с окружающей средой. Термин введен К. Шретером в 1902 г.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
История развития экологии. Становление экологии как науки. Превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Первые природоохранные акты на Руси. Биография Келлера Бориса Александровича.
реферат , добавлен 28.05.2012
Характеристика задач и методов экологии, как науки изучающей условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Особенности современных экологических проблем, обзор видов загрязнения окружающей среды.
реферат , добавлен 21.02.2010
Глобальные проблемы окружающей среды. Междисциплинарный подход в исследовании экологических проблем. Содержание экологии как фундаментального подразделения биологии. Уровни организации живого как объекты изучения биологии, экологии, физической географии.
реферат , добавлен 10.05.2010
Объект экологии, ее место среди других наук. Основные экологические проблемы. Законы и закономерности взаимодействия надорганизменных биологических систем (популяция), биоценоз (сообщество), биогеоценоз (экосистема), биом, биосфера) с окружающей средой.
презентация , добавлен 07.12.2016
Определение экологии. Основные разделы. Законы экологии. Организм и среда. Практическое значение экологии. Взаимодействие сельскохозяйственных и природных экосистем, сочетания окультуренных и естественных ландшафтов.
реферат , добавлен 25.10.2006
История зарождения и этапы становления экологии как науки, оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний, превращение экологии в комплексную науку. Возникновение новых направлений науки: биоценология, геоботаника, популяционная экология.
реферат , добавлен 06.06.2010
Зарождение и становление экологии как науки. Взгляды Ч. Дарвина на борьбу за существование. Оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний. Свойства "живого вещества" согласно учению В.И. Вернадского. Превращение экологии в комплексную науку.
реферат , добавлен 21.12.2009
Проблемы экологии как науки. Среда как экологическое понятие, ее основные факторы. Среды жизни, популяции, их структура и экологические характеристики. Экосистемы и биогеоценоз. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Охрана окружающей среды.
методичка , добавлен 07.01.2012
Структура современной экологии как науки. Понятие среды обитания и экологических факторов. Экологическое значение пожаров. Биосфера как одна из геосфер Земли. Сущность законов экологии Коммонера. Опасность загрязнителей (поллютантов) и их разновидности.
контрольная работа , добавлен 22.06.2012
Основы экологии человека: понятия и термины. Взаимосвязь экологии человека с проблемами сохранения здоровья. Главные аксиомы экологии. Понятие зоны экологической стабильности, нестабильности. Важнейшие современные антропогенные экосистемы, их особенности.
Экология - наука об окружающей среде и происходящих в ней процессах.
В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:
Аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды) с окружающей его средой;
Популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;
Синэкологию (биоценологию)- изучающую взаимоотношений популяций, сообществ и экосистем со средой
Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства- изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т.д.
2.Какой вклад в биологию вложил к. Линней, ф. Реди, д. Эррел?
Карл Линней-шведский ученый-естествоиспытатель, создал единую систему классификации животных и растений, ввёл таксонометрические категории.
Реди в своем труде «Опыты о размножении насекомых» (1668) сумел экспериментально опровергнуть представление о том, что существуют живые организмы, самозарождающиеся в нечистотах. Другая его работа «Наблюдения над животными, живущими в живых же животных» (1684) также была связана с полемикой вокруг возможности самопроизвольного зарождения организмов. Он описал строение ленточных и круглых червей, а также органы размножения у самок и самцов аскарид.Тем не менее работы Реди имели существенное значение для опровержения ошибочной гипотезы самозарождения организмов, тем самым он наметил верное направление для будущих исследователей в этой области.
Эррел- первооткрыватель бактериофагов, которых детально описал и предложил использовать для лечения инфекционных заболеваний.
3.Какой вклад в общую биологию вложил л. Пастер, ч. Дарвин, г. Мендель?
Пастер стал одним из основоположников микробиологии и иммунологии. Его работы в области строения кристаллов и явления поляризации легли в основу стереохимии, создал технологию пастеризации.
Дарвин один из первых продемонстрировал, что все виды живых организмов эволюционируют во времени, доказал, что основной движущей силой является естественный отбор и изменчивость.
4. Какой вклад в общую биологию вложил Ивановский, а.И. Опарин?
Опарин впервые высказал предположение о составе первичной атмосферы Земли и о возможности образования органических соединений из неорганических под действием мощных электрических разрядов.
Ивановский
5. Назовите уровни организации живой материи, согласно иерархии.
микромир – мир атомов и элементарных частиц – предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.
макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта – пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.
мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет
Экологии подчинено два направления исследований : теоретическая (биоэкология) и практическая экология.
¾ Теоретическая экология включает раздел "экология живых организмов" (биоэкология ).
Это материнский субстрат экологической науки . Основные подразделы: экология микромира, экология растений, экология животных, экология человека .
Но к известным классическим разделам (согласно идеям Ю.Одума, Р.Дажо, М.Реймерса, И.Дедю и др.) добавлены новые биоэкологические направления: биоэкомониторинг, теория заповедного дела, теория искусственных экосистем, основы биоиндикации, экотоксикология и др.
¾ Практическая экология объединяет несколько разделов:
1. науки об охране и рациональном использовании природных ресурсов (геоэкология ). Основные ее элементы: ландшафтная экология, биогеохимическая экология, экономика природопользования и охрана окружающей среды, экология атмосферы, гидросферы (включает экологию Мирового океана, естественных и искусственных водоемов, водотоков (рек, ручьев и т.п.)) и литосферы (включает экологию грунтов, месторождений полезных ископаемых (горного дела), геоинженерную экологию, геологическое заповедное дело и др.). Новые разделы блока - геоинформатика и экология геоэнергоаномальных зон . Многие проблемы геоэкологии (а именно ландшафтной экологии) имеют практическое значение, так как климатическими или иными физико-географическими условиями определяется набор видов, их продуктивность, возможность акклиматизации полезных форм, условия формирования и устойчивость природных очагов заболеваний и т.п.
2. другое направление экологии исследует конкретные механизмы, с помощью которых осуществляется приспособление биологических систем разного уровня к изменчивым условиям среды, необходимое для обеспечения их существования . Это направление называют функциональной или физиологической экологией , так как большинство адаптивных механизмов имеют физиологическую природу.
Изучение механизмов и закономерностей адаптаций важно для решения ряда проблем медицины, охотоведения, животноводства, растениеводства и т.д. Чаще всего исследуются организмы (аутэкология ).
3. важным направлением является эволюционной экологии , основной задачей которой служит выявление экологических закономерностей эволюционного процесса, путей и форм становления видовых адаптаций, а также реконструкция экосистем прошлого Земли (палеоэкология ) и выявление роли человека в их преобразовании (археоэкология ).
4. науки о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду (социоэкология ) объединяет такие важные новые подразделы экологической науки, как экологическое образование, экологическое право, урбоэкология, экология народонаселения, экологический менеджмент, экологический маркетинг, национальная и международная экополитика.
5. науки о техногенных факторах влияния на окружающую среду (техноэкология ). Основными структурными элементами раздела являются экология энергетики (основные подразделы: экология АЭС, ТЭС, ГЭС, нетрадиционных источников энергии (солнечная, геотермальная, ветровая, биоэнергетика, энергетика моря)), промышленности (химической, металлургической, топливной, лесохозяйственной, машиностроительной промышленности и производства стройматериалов), агроэкология (мелиоративная, агрохимическая и экология животноводства), экология транспорта, военного дела, экологическая экспертиза.
Возникающие в связи с этим проблемы выходят за рамки экологии как биологической науки, приобретая социальный и политический характер. Данное направление часто обозначают как социальная экология .
Высшим по рангу обобщающим понятием является универсальная (общая) экология - наука о тактике и стратегии сохранения и стабильного развития жизни на Земле.
Она обобщает всю экологическую информацию, поступающую из других разделов, и на основе анализа этих данных и моделирования развития экологической ситуации на планете способствует принятию научно и логически обоснованных решений, касающихся реализации стратегических планов развития цивилизации.
Объектами экологии или ее подразделений в зависимости от уровня исследований являются экосистемы или их элементы.
Предмет исследований:
· изучение особенностей и развития взаимосвязей между организмами, их группировками разных рангов, экосистемами и неживой компонентой экосистем;
· исследование влияния природных и антропогенных факторов на функционирование экосистем и биосферы в целом.
Основные задачи экологии:
· изучение с позиций системного подхода общего состояния современной биосферы планеты, причин его формирования и особенностей развития под влиянием природных и антропогенных факторов (т.е. изучение закономерностей формирования, существования и функционирования биологических систем всех уровней во взаимосвязи с атмосферой, литосферой, гидросферой и атмосферой);
· прогноз динамики состояния биосферы во времени и пространстве;
· разработка путей гармонизации взаимоотношений человеческого общества и природы, сохранение способности биосферы к самовосстановлению и саморегуляции с учетом основных экологических законов и общих законов оптимизации взаимосвязей общества и природы.
ВЫВОДЫ
1. Современные экологические исследования являются научной базой для разработки стратегии и тактики поведения человечества в природной среде, рационального природопользования, охраны и восстановления окружающей среды.
2. Важнейшим выводом экологических исследований должно стать определение экологической емкости территорий, которая полностью зависит от состояния его экосистем.