Екологія як наука

1. Екологія як наука Основні визначення й поняття. Предмет вивчення й основні завдання.

Екологія — розділ біологічної науки (біоекологія) про взаємовідносини між організмами і середовищем їх існування.

Екологічна ніша — область багатовимірного простору (гіпер-простір) базових, ортогональних змінних, що в сукупності відображають ресурси та умови середовища, відповідна стійкому існуванню виду, популяції, організму.

Здатність природного або природно-антропогенного оточення (середовища) забезпечувати нормальну життєдіяльність певного числа організмів і їх співтовариств без помітного порушення самого оточення називається місткістю середовища.

Під нормальною життєдіяльністю розуміють можливість оптимального живлення, дихання, розмноження, притулку і т. ін.

Живлення — це процес споживання, витягання поживних речовин (енергії) для забезпечення процесів життєдіяльності організму.

Дихання — це сукупність фізико-хімічних і фізіологічних процесів, що протікають в організмі, які забезпечують надходження кисню і видалення вуглекислого газу (зовнішнє дихання), а також використовування кисню клітинами і тканинами для окислення органічних речовин зі звільненням енергії, необхідної для їх життєдіяльності (клітинне або тканинне дихання); більшість організмів (аероби) використовує для дихання кисень повітря.

Розмноження — це характерна й обов'язкова властивість всього живого; відтворення собі подібних, що забезпечує безперервність і спадкоємність життя з його видовою специфікою і загальною фізико-хімічною єдністю; розрізняють два основні типи розмноження: безстатеве і статеве. Все живе має величезну здатність до розмноження.

Екологія на відміну від інших біологічних наук вивчає рівень організації живого починаючи з організмового і вище, а саме: організмовий, популяційний, видовий, біоценотичний, біосферний.

Екологія розглядає організми, популяції (види), співтовариства або біогеоценози (фітоценоз, зооценоз, мікробоценоз, мікоценоз) як живий (біотичний) компонент системи, яка називається екосистемою, або біогеоценозом. Екосистема (біогеоценоз) включає крім живих компонентів неживий (абіотичний) компонент — фізичне середовище з його речовиною і енергією.

Різні екосистеми разом утворюють біосферу, або екосферу, що включає всі живі організми і все фізичне середовище, з яким вони взаємодіють.

Терміни "організм", "популяція", "вид", "угруповання" ("біоценози"), "екосистема", "біогеоценоз", "біосфера", "ноосфера" мають в екології точні визначення, які представлені нижче.

Організм (за В.І. Вернадським) — система, замкнута за структурою, ієрархічно організована, нерівноважна, само організовується, відкрита за обмінами речовиною й енергією.

Вид — сукупність особин, яким властива спадкова схожість морфологічних, фізіологічних і біохімічних особливостей, що вільно схрещуються і дають плодовите потомство.

Особина, індивід — неподільна одиниця життя (див. організм).

Популяція — форма існування виду, сукупність особин одного виду, що мають загальний генофонд і населяють певний простір з відносно однорідними умовами існування.

Генофонд (популяції) — сукупність генів популяції, групи популяцій або виду.

Угруповання — сукупність взаємозв'язаних і взаємозалежних видів у межах природно обмеженого життєздатного простору.

Біоценоз — взаємопов'язана сукупність мікроорганізмів, рослин, грибів і тварин, що населяють однорідну ділянку суші або водоймища (біотоп).

Біотоп — відносно однорідний за абіотичними чинниками середовища простір у межах водної, наземної, підземної частини біосфери, зайнятої одним біоценозом. Біотоп — синонім місця проживання виду.

Фітоценоз — угруповання рослин, що історично склалося в результаті поєднання рослин, які взаємодіють, на однорідній ділянці території. Його характеризують певний видовий склад, життєві форми, надземна і підземна ярусність, велика кількість (частота, з якою зустрічаються види), розміщення, аспект (зовнішній вигляд), життєвість, сезонні зміни розвитку (зміна угруповань).

Зооценоз — угруповання тварин.

Мікробіоценоз — угруповання мікроорганізмів.

Мікоценоз — угруповання грибів.

Біогеоценоз (термін введений у 1944 р. російським вченим В.М. Сукачовим) — стійка, така, що саморегулюється, просторово обмежена природна система, в якій функціонально взаємопов'язані живі організми і абіотичне середовище, що оточує їх.

2.Підходи у визначенні взаємин людини й природи.

Важливу групу екологічних чинників становлять антропогенні чинники, що відображають дію людини як на живі організми, так і на абіотичні чинники середовища існування. Антропогенні чинники — це сукупність екологічних чинників, зумовлених випадковою або навмисною діяльністю людини, що викликають істотний вплив на структуру та функціонування екосистем і на деградацію біосфери. До антропогенних чинників належать, наприклад, радіаційне забруднення або забруднення хімічними речовинами води, ґрунту або атмосфери в результаті діяльності суспільства. Забруднення середови­ща викликає у багатьох випадках істотні зміни в стані природних екосистем.

Екологічні чинники середовища впливають на живі організми по-різному, тобто можуть впливати як подразники, що зумовлюють пристосовні зміни фізіологічних і біохімічних функцій; як обмежувачі, що зумовлюють неможливість існування у певних умовах; як модифікатори, що викликають анатомічні й морфологічні зміни організмів; як сигнали, що свідчать про зміни інших чинників середовища.

Незважаючи на велику різноманітність екологічних чинників, у характері їх впливу на організми і відповідних реакцій живих істот можна виявити низку загальних закономерностей.

1. Закон оптимуму. Кожний чинник має лише певні межі позитивного впливу на організми. Результат дії змінного чинника залежить перш за все від сили його прояву. Як недостатня, так і надмірна дія чинника негативно позначається на життєдіяльності особин. Сприятлива сила дії називається зоною оптимуму екологічного чинника або просто оптимумом для організмів певного виду. Чим істотніше відхилення від оптимуму, тим більше виражена пригноблююча дія цього чинника на організми (зона песи-муму). Максимальні і мінімальні значення чинника — це критичні точки, за межами яких існування вже неможливе, настає смерть. Межі витривалості між критичними точками називають екологічною валентністю живих істот стосовно конкретного чинника середовища.

Представники різних видів значно відрізняються один від одного як за положенням оптимуму, так і за екологічною валентністю. Одна і та ж сила прояву чинника може бути оптимальною Для одного виду, песимальною — для другого і виходити за межі витривалості для третього.

Широку екологічну валентність виду стосовно абіотичних чинників середовища позначають додаванням до назви чинника префікса "еври". Евритермні види — ті, що витримують значні коливання температури, еврибатні — широкий діапазон тиску, евригалинні — різний ступінь засолення середовища.

Нездатність переносити значні коливання чинника, або вузька екологічна валентність, характеризується приставкою "стено" — стенотермні, стенобатні, стеногалинні види і т. ін. У більш широкому значенні види, для існування яких необхідні строго певні екологічні умови, називають стенобатними, а ті, які здатні пристосовуватися до різної екологічної обстановки, — еврибатними.

2. Неоднозначність дії чинника нарізні функції. Кожний чинник неоднаково впливає на різні функції організму. Оптимум для одних процесів може бути песимумом для інших. Для багатьох риб температура води, що оптимальна для дозрівання статевих продуктів, є несприятливою для ікрометання, яке відбувається при іншому температурному інтервалі.

Життєвий цикл, у якому в певні періоди організм здійснює переважно ті або інші функції (живлення, зростання, розмноження, розселення і т. ін.), завжди узгоджений із сезонними змінами комплексу чинників середовища. Рухомі організми можуть також змінювати житло для успішного здійснення всіх своїх життєвих функцій.

3. Мінливість, варіабельність і різноманітність реакцій у відповідь на дію чинників середовища в окремих особин виду. Ступінь витривалості, критичні точки, оптимальні й песимальні зони окремих індивідуумів не збігаються. Ця мінливість визначається як спадковими якостями особин, так і статевими, віковими і фізіологічними відмінностями. Наприклад, у метелика млинової огнівки — одного зі шкідників борошна і зернових продуктів — критична мінімальна температура для гусениць — –7°С, для дорослих форм — –22, а для яєць — –27°С. Мороз у -10°С губить гусінь, але не є небезпечним для імаго і яєць цього шкідника. Отже, екологічна валентність виду завжди ширша за екологічну валентність коленої окремої особині.

4.   До кожного з чинників середовища види пристосовуються відносно незалежним шляхом. Ступінь витривалості до якого-небудь чинника не означає відповідної екологічної валентності виду стосовно решти чинників. Наприклад, види, що переносять широкі зміни температури, зовсім не обов'язково мають також бути пристосованими до широких коливань вологості або сольового режиму. Евритермні види можуть бути стеногалинними, стенобатними або навпаки. Екологічні валентності виду стосовно різних чинників можуть бути дуже різноманітними. Набір екологічних валентностей стосовно різних чинників середовища становить екологічний спектр виду.

5. Незбігання екологічних спектрів окремих видів. Кожний вид специфічний за своїми екологічними можливостями. Навіть у близьких за способами адаптації до середовища видів є відмінності стосовно яких-небудь окремих чинників.

Правило екологічної індивідуальності видів сформулював російський ботанік Л.Г. Раменський (1924) стосовно рослин, а потім його було широко підтверджено і зоологічними дослідженнями.

6. Взаємодія чинників. Оптимальна зона і межі витривалості організмів стосовно якого-небудь чинника середовища можуть зміщуватися залежно від того, з якою силою і в якому поєднанні діють одночасно інші чинники. Ця закономірність отримала назву взаємодії чинників. Наприклад, спеку легше витримувати в сухому, а не у вологому повітрі. Таким чином, один і той же чинник у поєднанні з іншими має неоднакову екологічну дію. Навпаки, один екологічний результат може бути отриманий різними шляхами. Наприклад, в'янення рослин можна припинити як збільшенням кількості вологи в ґрунті, так і зниженням температури повітря, що зменшує випаровування. Створюється ефект часткового взаємозаміщення чинників.

Разом з тим взаємна компенсація дії чинників середовища має певні межі, і повністю замінити один із них іншим не можна. Повна відсутність води або хоча б одного з основних елементів мінерального живлення робить життя рослини неможливим, незважаючи на найсприятливіші поєднання інших умов.

Якщо хоча б один з екологічних чинників наближається або виходить за межі критичних величин, то, попри оптимальне поєднання решти умов, особинам загрожує загибель. Чинники, що істотно відхиляються від оптимуму, набувають першорядного значення в житті виду або окремих його представників у кожний конкретний відрізок часу.

Лімітуючий чинник (умова) — це будь-який чинник (умова), Що наближається до межі толерантності або перевищує її.

Толерантність екологічна — здатність організму переносити відхилення екологічних чинників від оптимальних для себе; область стійкого існування виду та/або реалізація якої-небудь його функції стосовно конкретного чинника середовища або їх поєднання.

Стійкість виду — здатність виду зберігати функціонування в межах природного коливання його параметрів.

Гомеостаз — стан внутрішньої динамічної рівноваги природної системи (організму, виду), що підтримується регулярним відновленням її основних структур, речовинно-енергетичного складу і постійною функціональною саморегуляцією її компонентів.

Саморегуляція — властивість системи в процесі функціонування зберігати на певному рівні типовий стан, режими, характеристики зв'язків між її компонентами.

Компоненти природної системи — основні її складові, тісно пов'язані між собою; при зміні одного з компонентів змінюються інші й виникають "ланцюгові реакції".

Обмежуючі чинники середовища визначають географічний ареал виду. Природа цих чинників може бути різною. Так, просування виду на північ може лімітуватися нестачею тепла, в аридні райони — нестачею вологи або дуже високими температурами. Чинником, що обмежує розповсюдження, можуть бути і біотичні відносини, наприклад, зайняття території сильнішим конкурентом або нестача обпилювачів для рослин.

Закон Лібіха (закон мінімуму) — "речовиною, присутньою в мінімумі, управляється врожай" і закон В. Шелфорда (закон толерантності) — "будь-який організм має верхні й нижні межі стійкості (толерантності) до будь-якого екологічного чинника" — є фундаментальними основоположними законами екології. Будь-яким організмам властива специфічна організація. В результаті вони мають певну форму і розміри (фенотип), залежні від взаємодії генотипу і середовища існування.

Організми не "розкидані" випадково в просторі. Вони "зібрані" в популяції, а популяції — в угруповання, або біоценози. Останні разом з абіотичними чинниками формують екологічні системи, або біогеоценози, які є елементарними одиницями біосфери.

Життя цілісне і водночас дискретне. Органічний світ цілісний, оскільки існування одних організмів залежить від інших, і водночас дискретний, складається з окремих організмів.

Обмін речовин — це сукупність хімічних процесів, які протікають у клітинах і забезпечують зв'язок організмів з навколишнім середовищем, що є умовою підтримання їх життя.

Обмін речовин і енергії в клітинах веде до відновлення (заміни) зруйнованих структур, зростання і розвитку організму. Оскільки організми є відкритими системами, через які проходять безперервні потоки речовин і енергії, це приводить до самовідновлення на всіх рівнях організації живого, кінцевим результатом якого є ріст і розвиток організмів.

Завдяки роздратованості організми врівноважуються з середовищем. Вибірково реагуючи на чинники середовища (таксиси, рефлекси і т. ін.), організми "уточнюють" свої відносини з ним, унаслідок чого виникає єдність середовища і організму.

В.І. Вернадський підкреслював, що жива речовина — найактивніша форма матерії у Всесвіті. Вона здійснює гігантську геохімічну роботу в біосфері, повністю перетворивши верхні оболонки Землі за час свого існування.

Розрізняють ряд рівнів організації живого, а саме: молекулярний, клітинний, тканинний, органний, організмовий, популяційний, видовий, біоценотичний (екосистемний), глобальний (біосферний).