Что такое биоэкология каковы ее основные разделы и понятия
Предмет, объект и задачи биоэкологии.
Предметом биоэкологии является совокупность связей между организмами и средой, рождаемость, смертность, внутривидовые отношения, потоки энергии, круговорот веществ. Главный объект изучения в биоэкологии- экосистемы (единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания).
Задачи биоэкологии весьма многообразны. Их условно можно разделить на теоретические и прикладные.
К теоретическим задачам относятся:
1. Разработка общей теории устойчивости экологических систем.
2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде.
3. Исследование регуляции численности популяции.
4. Изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания.
5. Исследование продукционных процессов.
6. Исследование процессов, протекающих в биосфере с целью поддержания ее устойчивости.
7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.
К прикладным задачам относят следующее:
1. Прогнозирование и оценка отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека.
2. Улучшения качества окружающей природной среды.
3. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.
4. Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экономически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.
Основные разделы биоэкологии.Структура экологии рассматривается с различных точек зрения, и единой системы пока не существует. Биоэкология является теоретической основой для прикладной, социальной и другой экологии и включает ряд разделов:
Между разделами и направлениями экологии существуют тесная взаимосвязь.
С точки зрения объектов исследования экологию делят на экологию растений, животных, микроорганизмов, человека и т. д. Разделение это искусственное. Искусственный разрыв между этими науками сохраняется и в настоящее время, однако предпринимаются попытки к их объединению.
Современная наука не ограничивается только рамками биологической дисциплины. Актуальность и многогранность возникшей проблемы, вызванной обострением экологической обстановки привела к экологизации многих естественных, технических и гуманитарных наук. На стыке экологии с другими отраслями продолжается развитие новых направлений: инженерная экология, геоэкология, математическая, сельскохозяйственная, космическая и т. д.
Т.о. экология связана с биологическими науками, с небиологическими науками, социальными.
2. История биоэкологии как и любой науки включает следующие этапы:
n этап накопления фактического материала, начавшийся с появления человека современного типа (человека кроманьонского) и до начала эпохи Великих географических открытий.
n этап выделения экологии из числа других наук, оформление экологии в самостоятельную науку начался со второй половины 19 века и до двадцатых голов прошлого века.
n этап формирования новых синтетических направлений экологии и экологизация всех разделов биологических и небиологических наук, развития практических изысканий и оформления многочисленных разделов экологии.
В обобщенном варианте сведения по истории экологии можно рассмотреть в таблице.
Таблица 1- Календарь становления экологии как науки (по К.М. Петрову, с дополнениями)
В связи с применением в настоящее время системного познания методы экологических исследований можно разделить на общие (например, метод меченых атомов, спектрометрию, хроматографию) и частные (метод анализа сукцессионного ряда, метод изучения плотности водных организмов). Также выделяют лабораторные и полевые методы исследования.
Раздел АУТЭКОЛОГИЯ. Факториальная экология.
Дата добавления: 2014-12-03 ; просмотров: 130 ; Нарушение авторских прав
Тема: Предмет, структура, задачи и методы биоэкологии.
Тема: Предмет, структура, задачи и методы биоэкологии.
1. История формирования биоэкологии.
2. Структура современной экологии и место в ней биоэкологии.
3. Биоэкология в системе наук.
4. Методы биоэкологических исследований.
5. Важнейшие проблемы биоэкологи.
История формирования биоэкологии.
Элементами экологических знаний человечество владело уже с первых шагов своего становления, поскольку только зная места обитания растений и животных, их образ жизни и поведение первобытный человек (собиратель, рыболов, охотник) мог выжить. Эти и приобретенные позднее знания впоследствии были зафиксированы в древнейших египетских, индусских, китайских, а затем греческих, римских и средневековых источниках, которыми пользовались практически до 16 века.
Этими трудами заканчивается первый этап истории экологии (естественной истории) – этап первичного накопления и систематизации сведений о растительном и животном мире, видах, имеющих важное значение в практике земледелия и животноводства основных очагов цивилизации.
Качественно новый этап в изучении зависимости строения и распространения растений и животных от условий окружающей среды, систематизации и обобщении этих материалов, собранных в течение столетий в различных (в т. ч. новых, описанных во время Великих географических открытий) регионах, заложен трудами естествоиспытателей эпохи Возрождения. В 17-18 вв. сведения, подтверждающие зависимость распространения, особенностей строения и образа жизни от климатических условий и других внешних обстоятельств, составляли уже значительную часть в работах многих натуралистов, в т.ч. и российских.
Отличительной особенностью первой половины 19 в. стало осознание большинством естествоиспытателей ведущей роли среды в существовании органического мира (Ж.Б. Ламарк, И.Ж. Сент-Иллер, А. Гумбольдт и др.). С этого же времени сведения экологического характера стали относить к сфере «Биологии» (с 1802 г.), хотя некоторое время еще сохранялся термин «естественная история». На
дальнейшее развитие экологического направления большое влияние оказала эволюционная теория Ч. Дарвина, которая в основном опиралась на экологические закономерности. Все это послужило стимулом для выделения экологии в самостоятельную науку.
В 20 столетии экология развивалась по многим направлениям, среди которых важнейшими были и остаются: аутэкология, популяционная экология, синэкология или биоценология, для которых главнейшей задачей является изучение выживания организмов в окружающей среде, закономерностей адаптации организмов и их сообществ к среде, проблем саморегуляции и устойчивости отдельных экосистем и биосферы в целом. В таком понимании экологию называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность. Вместе с тем, ряд исследователей сведения аутэкологического характера по-прежнему относят к сфере «Биологии», а к экологии относят лишь материалы популяционного и синэкологического характера.
Структура современной экологии и место в ней биоэкологии.
Исключительное разнообразие живых организмов нашей планеты (до 80-100 млн. видов), разные уровни их организации и многообразие условий обитания определяют многообразие подходов к изучению их взаимоотношений со средой. В связи с этим, взгляды на содержание и структуру экологии значительно отличаются у разных ученых и сейчас, например, только определений экологии существует более 60.
Однако, несмотря на это разнообразие подходов, большинство экологов в этой науке выделяют два основных раздела:
— общую экологию – науку о принципах и наиболее важных закономерностях взаимоотношений живых организмов с окружающей их средой. Именно в этой области среди экологов наблюдаются наиболее существенные разночтения в трактовке объектов, содержания, целей и задач исследования;
— прикладную экологию, изучающую различные аспекты взаимоотношений организмов с окружающей средой в процессе использования природных ресурсов.
Большинство экологов считают экологию фундаментальной биологической наукой (т.е. биоэкологией), изучающей условия существования живых организмов и взаимоотношения между ними, хотя проникновение экологических идей во все разделы биологии зачастую ставит под сомнение самостоятельность экологии как науки. Кроме того, ряд исследователей считает экологию не отдельной самостоятельной наукой, а целым комплексом наук о взаимодействии общества и природы или даже междисциплинарной областью знаний об устройстве многоуровневых систем в природе, обществе и их взаимосвязи.
Объектом исследования экологии являются организмы и биологические макросистемы разных рангов, их динамика во времени и пространстве, в том числе и под воздействием человека. Основным содержанием экологии является изучение взаимоотношений организмов друг с другом и со средой обитания на разных уровнях организации, их продуктивности и энергетики. В этом комплексе объектом исследования биоэкологии являются биологические макросистемы высших рангов
В связи с этим аутэкологию (экологию особей), которая изучает реакции организмов
на воздействие среды и их специфические адаптации к различным условиям относят к «общей экологии» (или по старому – к биологии). Основными же структурными подразделениями биоэкологии считаются популяционная экология (демэкология), экология видов (эйдэкология) и экология сообществ или экосистем(синэкология, биоценология), основным содержанием которых является изучение взаимоотношений организмов с окружающей средой на популяционном, видовом (популяционно-видовом), биоценотическом, экосистемном и биосферном уровнях, в том числе условия их формирования, развития, структуру, динамику их численности, а также взаимоотношения популяций и видов в биоценозах, процессы биогенного круговорота веществ и потоки энергии в экосистемах разного масштаба
Биоэкология в системе наук.
Как уже отмечалось, биоэкология является фундаментальной биологическаой наукой, изучающей взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой на популяционно-видовом, биоценотическом, экосистемном и биосферном уровнях, охватывающих наземно-воздушную (аэробиосферу), водную (гидробиосферу) и почвенную(эдафобиосферу) среды жизни.
Поскольку адаптации организмов на этих уровнях обычно проявляются в особенностях протекания жизненных процессов и строения тела, то биоэкология наиболее тесно связана с физиологией и морфологией. Тесно связана с биоэкологией и систематика, поскольку при выделении популяций и видов используются экологические критерии, а экологи нуждаются в объективной системе организмов.
Понять многие особенности экологии популяций и видов можно лишь зная их генетическую структуру, законы перестройки генотипа, а также роль отдельных факторов среды в сохранении и распространении генетических изменений, что определяет связь биоэкологии с генетикой.
На базе биоэкологии развивается также биогеография, а ряд проблем сближает биоэкологию с географией (условия обитания), геохимией и другими дисциплинами естественного цикла. При изучении динамики популяций и экосистем во времени широко используются эволюционный и исторический подходы, которые позволяют реконструировать экосистемы прошлого и выявлять экологические тенденции. Это определяет тесную связь биоэкологии с исторической геологией, которую в известной мере можно назвать палеобиоэкологией.
В системе экологии человека выделяют социальную экологию, изучающую взаимоотношения отдельных этнических и социальных групп общества с их средой жизни, что определяет связь биоэкологии с целым комплексом социальных наук.
Сейчас экологические принципы постепенно пронизывают всё более широкий круг проблем и биоэкология, как и экология в целом, становится теоретической основой рационального природопользования.
Грибы. Водоросли.
— дейтеромицеты, разлагающие мертвую органику (в т.ч. Penicilium), ряд видов продуцирует антибиотики, другие паразитируют.
Царство Растения – Vegetabilia(Plantae) включает не менее 250,0 тыс. автотрофных и вторично гетеротрофных организмов с целлюлозными стенками клеток и запасным веществом в виде крахмала. Среди них выделяют:
Подцарство Богрянка (Rhodobiоnta) – около 400 видов преимущественно морских водорослей с хлорофиллом d. Используются для получения агар-агара, широко применяемого в пищевой промышленности;
— отдел Бурые водоросли – это крупные (до 50м.) морские водоросли, богатые иодом и микроэлементами. Широко используются в медицине, пищевой промышленности ( ламинария, саргасовые водоросли);
— Отдел Желто-зеленые – биоиндикаторы чистоты пресных водоемов;
— Отдел Эугленовые – биоиндикаторы пресных водоемов, способствуют их очищению:
Эти подцарства иногда объединяются в одно царство Водорослей:
Низшие сосудистые растения.
Включает более 25000 видов симбиотических организмов, образованных грибами и водорослями. По внешнему облику различают 3 типа:
— накипные – в виде тонкой корочки – лишайниковая манна;
— листоватые – кладония (олений мох, ягель), уснея и др., населяют почти все наземные экосистемы, но особенно велика их роль в тундровых, лесных и горных сообществах. Очень чувствительны к загрязнению субстрата и воздуха
Отдел Хвощевидные – Eguisetophyta включает травянистые растения с побегами из междоузлий и узлов с мутовчатым расположением листьев: болотный и полевой хвощи.
Отдел Папоротниковидные – Polypodiophyta – включает около 10000 видов травянистых и древовидных растений с перистыми листьями, в т.ч. орляки, щитовники, страусники, ужовники, из водных – сальвиния.
Все эти растения являются своеобразными индикаторами состояния ландшафтов.
Высшие сосудистые растения.
Группа отделов « Высшие сосудистые растения» включает:
— Класс Саговники – пальмовидные деревья с широкими перистыми листьями: саговники (декоративные), хлебное дерево, равеналла:
— Класс Гнетовые – степная малина (эфедра).
— лиственница – 20 видов – европейская, сибирская;
— кедры – 4 вида. Все они являются ландшафтообразующими видами.
— Алисматиды – около 500 видов водных и болотных трав, являющихся важными компонентами наших водных экосистем: частуха, сусак, стрелолист, рдесты (100), ситники, наяды;
Порядок лилейные – около 6000 видов луковичных и корневищных трав из семейств:
— амарилисовых- подснежники, нарциссы;
— спаржевые – спаржа, купена, ландыши;
— ирисовые – ирисы, гладиолусы
Порядок осоковые – осоки, камыши, пушицы, папирус;
Класс Двудольные включает травянистые и древесно-кустарниковые растения, в зародыше которых имеются 2 семядоли, покрытые общей оболочкой. Они разделяются на 7 подклассов:
5.Царство животные.
— Споровики – паразиты растений, животных и человека (малярийный плазмодий);
— Инфузории – водные, почвенные и паразитические виды (инфузория-туфелька, трубачи, сувойки).
— Настоящих многоклеточных- Eumetazoa. Из них наиболее примитивные имеют лучистое (Radiata) строение. Это кишечнополостные коралловые полипы, медузы, гидроиды и гребневики. Более высоко организованные являются трехслойными животными, которые имеют двусторонне-симметричное строение (Bilateria). Среди них выделяют около 30 типов и 100 классов.
Наиболее просто устроены: бесцеломические:
Целомических животных делят на 25 типов, в т.ч.:
— к классу Ракообразные (30000) относятся обитающие в наших соленых водах низшие ракообразные Artemia, пресноводные дафнии, циклопы, ракушковые рачки.
К высшим ракообразным относятся речные раки, крабы, креветки, раки- отшельники, бокоплавы, мокрицы.
— Класс Насекомые – включает более 70% всех видов животных. Тело состоит из трех отделов, конечностей 3 пары. Среди них выделяют группы видов:
Отдел с неполным превращением, включает представителей отрядов:
— таракановые (черный, рыжий);
— прямокрылые( кузнечики, сверчки, саранчевые, медведки);
— стрекозы (бабки, дедки, лютки, стрелки, коромысла);
— клопы (черепашки, постельные, водные);
— тли (яблоневая, свекловичная и др.) и вши
Отдел с полным превращением включает отряды:
— жуки- 300000 видов (жужелицы, пластинчатоусые, кожееды, божьи коровки, листоеды и др.);
— бабочки – 140000 (белянки, бражники, пяденицы, нимфалиды и др.);
— перепончатокрылые- 300000 (пчелы, осы, шмели, муравьи, наездники);
— двукрылые – 80000 (комары, мухи, слепни, оводы, плодовые мушки);
— блохи – (человечья, кошачья, собачья).
Тип Хордовые – включает около 40-50000 видов животных с внутренним осевым скелетом. Наиболее примитивных относят к классу Круглоротых ( нет челюстей) – миноги (каспийская);
— класс Костные рыбы – около 20000 видов, причем половина из них относятся к отрядам карпообразных ( караси, лещи, и т.д.) и окунеобразных (окуни, судаки, бычки). Наиболее ценны представители отрядов осетрообразных, лососеобразных, сельдевых.
— Земноводные – 3500видов наиболее просто организованных наземных животных (хвостатые тритоны, бесхвостые лягушки, жабы, жерлянки).
— Птицы – около 8000 видов, тело которых покрыто перьями, а передние конечности преобразованы в крылья. Среди них наиболее многочисленны дендрофильные синицы, славки, дрозды, въюрки; в открытых ландшафтах встречаются жаворонки, трясогузки, в разных местообитаниях ласточки, вороновые.
— Млекопитающие – около4500 видов, тело которых покрыто волосами, детенышей выкармливают молоком. Наиболее многочисленны представители отряда грызунов (белки, суслики, мыши, крысы, хомяки, тушканчики). Систематически к ним близки зайцеобразные (беляк, русак, пищухи). Довольно многочисленны также представители отрядов:
Копытные по числу видов малочисленнее, но это очень ценные в экономическом отношении виды (кабаны, олени, антилопы).
Экология популяций.
Структура популяции.
Генетический полиморфизм. Любая популяция представляет сложную генетическую систему, находящуюся в динамическом равновесии. Существование двух и более генетически различных форм в популяции в состоянии длительного равновесия (без мутации) называется полиморфизмом. Его по механизму возникновения и поддержания делят на: гетерозиготный (положительно отбирающий гетерозигот) и адаптационный, когда различные формы подвергаются отбору в разных условиях (чёрная и красная формы божьей коровки зимой и летом)
— латентная – включает все зачатки в виде семян, плодов и покоящихся почек возобновления;
— виргинильная (предгенеративная) – включает проростки (всходы), ювенильные (питающие самостоятельно), имматурные (переходные к взрослым) и виргинильные (похожие на взрослых);
Распределение особей по возрастным группам и их соотношение отражает возрастной спектр популяции. Популяции, представленные всеми возрастными группами и состояниями называют нормальными полночленными. Если же одна группа (сенильная у монокарпиков) отсутствует, то такую популяцию называют нормальной неполночленной. Популяции, не содержащие молодых особей называют регрессивными, а представленные только молодыми особями и семенами называют инвазионными. Возрастной спектр популяции постоянно изменяется, причем как под воздействием внешних условий, так и в зависимости от устойчивости самих видов.
У высших (позвоночных) животных выделяют группы:
— новорожденные – до прозревания;
— полувзрослые – близкие к половой зрелости;
— старые, переставшие размножаться.
У многих животных все возрастные группы встречаются одновременно и они могут размножаться многократно. Ряд видов размножаются только один раз и одновременное существование разных поколений у них обусловлено растянутостью сроков откладки яиц, роста и развития отдельных особей.
Практика показывает, что любая естественная популяция стремиться к стабилизации возрастной структуры и четкому распределению особей по возрастам. Эта особенность сформирована А. Лоткой (1925) как «правило стабильности возрастной структуры». У ряда видов оно дополняется правилом стабильности соотношения полов и в совокупности они составляют «правило стабильности половозрастной структуры популяции».
Возрастную структуру популяции можно отразить формулой (Л2, В2, Г2, С2) или в виде пирамиды трех основных типов: с широким основанием (растущая), равноконической (стабильная) и с узким основанием (регрессивная).
Данные по возрастному составу популяций многих видов имеют выход в практику, так как позволяют оценить их способность к размножению на ряд лет вперед.
Пространственная структура. Она отражает отношения организмов на базе пространства. Это важнейший тип отношений, поскольку определенная территория может обеспечить ресурсами лишь строго определенное число особей. Потребности в пространстве у разных видов не одинаковы, они отличаются у разных популяций одного вида, меняются по сезонам и в зависимости от состояния самой популяции.
В природе распределение особей бывает:
— равномерным и упорядоченным, когда они находятся на одинаковом расстоянии и занимают все пространство;
— неравномерным диффузным, случайным;
— неравномерным групповым, мозаичным, с незанятым пространством между отдельными скоплениями. Особенно это характерно для растений. У животных использование территории более упорядоченно и все они делятся на следующие основные группы:
— для популяции с резкими колебаниями численности характерен пульсирующий тип. При низкой численности животные занимают наиболее благоприятные участки (стации переживания), а при увеличении – всю пригодную территорию;
— циклический – характеризуется переменным использованием разных участков территории в течении года;
— кочевые стадные и стайные животные перемещаются на более значительные расстояния (сотни км).
В целом же абсолютных разграничений между разными типами использования территории нет и пространственная структура популяции очень динамична. Она подвержена сезонным и другим перестройкам, характер которых зависит от биологии видов и степени упорядоченности отношений в популяциях.
Этологическая или поведенческая структура основана на взаимоотношениях между особями, который ведут разный образ жизни.
Одиночный образ жизни обычно животные ведут лишь на определенной стадии жизненного цикла, а абсолютно одиночных не известно, поскольку это препятствовало бы размножению.
Наиболее слабая связь между особями наблюдается у водных животных, которые встречаются лишь на время спаривания.
Дальнейшее усложнение отношений идет по 2 направлениям:
— между половыми партнерами, образующими пары;
— между родительски поколениями и потомством.
Взрослые животные образуют различные групповые объединения:
— линейной, когда особи подчиняются предыдущим, но главенствуют над последующими;
— по типу треугольника;
— крайней формой является деспотия.
Биологический смысл иерархической системы доминирования-подчинения заключается в создании согласованного поведения группы, выгодного для всех ее членов при защите от хищников, выращивании молодняка, миграциях, других важных ситуациях, оптимизации всех процессов и повышении жизнеспособности особей (эффект группы). Однако это проявляется лишь до некоторого оптимального уровня плотности популяции; при его превышении в действие вступают другие механизмы.
Тема: Динамика популяций.
1. Рождаемость и смертность в популяциях.
2. Экологические стратегии популяции.
3. Гомеостаз популяции.
Гомеостаз популяции.
Поддержание численности популяции (вида) на определенном уровне называют гомеостазом. В основе способности популяции к гомеостазу лежат изменения физиологии, роста, развития и поведения каждой особи в ответ на увеличение или уменьшение их численности. У каждого вида механизмы гомеостаза зависят от его экологической специфики, подвижности, влияния хищников, паразитов и других факторов. Они проявляются в разной форме:
-жесткой конкуренции, приводящей к гибели избытка особей: самоизреживании растений в загущенных посевах, каннибализме у животных, выделении химических веществ, задерживающих рост популяции (ингибиторы), изменении соотношения полов;
— смягченной конкуренции, основанной преимущественно на условных рефлексах, изменяющих физиологию и поведение животных. Обычно это приводит к массовой миграции. Особенно ярко она выражена у насекомых, которым свойственна фазовость или разнокачественное состояние особей в зависимости от плотности. Так, перелетная саранча при низкой численности имеет зеленую окраску и ведет одиночный образ жизни. При благоприятных условиях и массовом размножении она переходит в «стадную» фазу, отличающуюся желтой окраской, удлиненными надкрыльями, повышенной возбудимостью и подвижностью (за счет гормональной перестройки). Личинки в этой фазе двигаются громадными скоплениями (кулиги), а взрослые громадными стаями (до 44,0 млн. тон), разлетаются на сотни и тысячи км, уничтожая все растения на своем пути.
Однако за пределами своего ареала саранча не может размножаться и оказывается обреченной на гибель. В оставшихся разреженных популяциях особи через 2-3 поколения переходят в одиночную фазу, чтобы при наступлении благоприятных условий вновь повторить все сначала. Сходные явления наблюдаются у ряда других насекомых (тлей), а также у птиц (кедровка), млекопитающих (белок, леммингов) и называются нашествиями.
Однако, все эти механизмы, как правило, включаются при угрозе перенаселения, что предохраняет от полного истощения ресурсы среды и тем самым обеспечивает возможность восстановления численности. Таким образом, регуляцию численности можно представить как авторегулируемый процесс. Разумеется, на развитие популяционного гомеостаза влияют конкуренция других видов, хищничество, паразитизм и другие факторы. В итоге общая регуляция численности в популяциях природных сообществ является результатом сложных внутривидовых и межвидовых взаимоотношений.
Лекция 6.
Темпы роста популяции.
Изучения совместного действия рождаемости, смертности и миграции показывает, что у разных видов рост численности идет неодинаково. У одних видов темп роста с самого начала бывает высоким, лавинообразным (по экспоненте) и не зависит от нарастающей плотности. Однако, при достижении определенной плотности (численности) и исчерпании ресурсов среды воспроизводство прекращается и популяция распадается. Такой тип динамики численности отражает j- образная кривая («бум-крах»). Этот тип использования ресурсов наблюдается у видов для которых жизненно важна скорость овладения ресурсами, как, например, у жуков навозников.
У других видов темп роста популяции зависит от ее плотности или численности, причем здесь наблюдается несколько вариантов:
— у некоторых ракообразных разряженная популяция в благоприятных условиях быстро наращивает свою численность, но чем больше становится в ней особей, тем меньше доля приплода, пока она не сравняется со смертностью, что приводит к стабилизации численности;