Экология как наука: определение, задачи, разделы и методы

Общие признаки биологических систем

Биологические системы (или живые системы) отличаются от тел неживой природы совокупностью признаков и свойств, среди которых основными являются:

Существенными чертами живых организмов, отличающими их от объектов неживой природы, являются уровневая организация и эволюция.

Биология — сложная наука, которая не только изучает организмы животных, растений, грибов на уровне отдельных субъектов, но и пытается заглянуть за эту субъектность, объединяя организмы в определенные группы, которые затем становятся единицами изучения ученых.

Также ученые стремятся рассмотреть отдельные составляющие организма, проследить взаимодействие этих составляющих друг на друга и их влияние на отдельный субъект. Изучая внутренние органы животных, исследователи пытаются понять, как один орган влияет на другой (например, как головной мозг регулирует деятельность остальных органов).

То есть биология пытается развить представление о целостности живой природы на основе анализа и синтеза, поэтому учеными были выделены уровни организации живых организмов для понимания устройства и взаимодействия всего живого и неживого.

Уровни организации жизни — это иерархически соподчиненные уровни организации биосистем, то есть низшие уровни подчинены высшим. Они отражают степень усложнения различных биосистем.

Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня, то есть характер клеточного уровня организации определяется молекулярным, характер организменного- клеточным уровнем.

Например, сердце формируется благодаря особому строению и функциям мышечных клеток, которое было определено их молекулярным строением.

Деление живого на уровни весьма условно, оно просто отражает системный подход в изучении природы.

Каждый отдельный уровень изучает соответствующий отдел науки о живом: молекулярной биологии, цитологии, генетики, анатомии, физиологии, экологии и других наук.

Выделяют три большие группы уровней организации:

суборганизменный
организменный (или онтогенетический)
надорганизменный

Суборганизменный уровень включает, в свою очередь, пять уровней: атомарный, молекулярный, субклеточный, клеточный, тканевый, органный.

Тканевый и органный уровни чаще всего объединяют в один — тканево-органный.

Организменный (или онтогенетический) уровень- это сам организм.

Надорганизменный уровень включает в себя три подуровня: популяционно- видовой, биогеоценотический, биосферный.

Мы с вами изучим основные уровни организации живых систем:

молекулярный
клеточный
тканевый
органный
организменный
популяционно-видовой
биогеоценотический
биосферный

Современные понятия об экологии

Раздел биологии, названный Э. Геккелем «экология» (по-гречески «экос» — дом, жилище, «логос» — учение), изучающий совокупность всех взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды, по мере накопления новых знаний превратился в самостоятельную фундаментальную науку.

В современном виде экология охватывает очень широкий круг вопросов и тесно переплетается с социальными, техническими и гуманитарными науками, происходит своего рода «экологизация» современных наук.

Экология рассматривается как универсальная, фундаментальная, комплексная наука, бурно развивающаяся и имеющая большое практическое значение для всех жителей планеты.

Современное определение экологии звучит следующим образом: Экология — наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей их неорганической средой; о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем.

Слово экология имеет общий корень со словом экономика, которое буквально означает «искусство ведения домашнего хозяйства». К сожалению, экономика часто вступает в противоречие с экологией. Стремясь к сиюминутным экономическим выгодам, человек разрушает собственный дом.

Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее для своих нужд. С развитием науки и техники люди получают все более мощные орудия воздействия на природу.

Это позволяет им вторгаться в микро- и макромиры, во все процессы, протекающие в биосфере. Вот что писал В. И. Вернадский еще в 1925 г.: «Человек уничтожил девственную природу. Он внес в нее массу неизвестных ранее химических соединений и форм жизни — культурных пород, животных и растений. Он изменил течение всех геохимических реакций. Лик планеты стал новым и пришел в состояние непрестанных потрясений».

В своей деятельности человек, как правило, не осознает, что нарушает закономерности протекания природных процессов, вызывает нежелательные для себя изменения и не предвидит последствия.

Но если до некоторых пор механизмы саморегуляции биосферы компенсировали возмущающие антропогенные (гр. anthropos -человек, genos -происхождение) воздействия, то особенностью современного этапа развития планеты является то, что система производства и размах человеческой деятельности достигли масштабов, сопоставимых с масштабами природных явлений.

Понятие биоценоза и биотопа

В природе популяции разных видов, существующие в одной среде, вступают друг с другом в разнообразные связи и взаимоотношения в зависимости от их потребностей. В результате образуется более сложная биологическая система — биоценоз. Этот термин ввел немецкий гидробиолог К. Мебиус в 1877 г.

Биоценоз (от греч. bios — жизнь, koinos — общий) — исторически сложившаяся совокупность взаимосвязанных популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих экологически однородную среду обитания.

Часто в экологии вместо термина «биоценоз» используется термин «сообщество». Биоценоз (сообщество) является основным компонентом природных надорганизменных систем.

Место обитания биоценоза — биотоп (от греч. bios — жизнь, topos — место) — участок территории с однородными условиями среды.

Ноосфера по Вернандскому

Вернадский,
анализируя геологическую историю
Земли, утверждает, что наблюдается переход
биосферы в новое состояние – в ноосферу
под действием новой геологической силы,
научной мысли человечества.

В
учении о ноосфере человек предстаёт укоренённым
в природу, а «искусственное» рассматривается
как органическая часть и один из факторов
(усиливающийся во времени) эволюции «естественного».
Обобщая человеческую историю, Вернадский
делает вывод о том, что человечество в
ходе своего развития превращается в новую
мощную геологическую силу, своей мыслью
и трудом преобразующую лик планеты. Соответственно,
оно в целях своего сохранения должно
будет взять на себя ответственность за
развитие биосферы, превращающейся в ноосферу,
а это потребует от него определённой
социальной организации и новой, экологической
и одновременно гуманистической этики.

Вернадский
говорит о ноосфере то как о реальности
будущего, то как о действительности наших
дней, что неудивительно, поскольку он
мыслил масштабами геологического времени.
«Биосфера не раз переходила в
новое эволюционное состояние… — отмечает В. И. Вернадский. — Это переживаем мы
и сейчас, за последние 10—20 тысяч лет,
когда человек, выработав в социальной
среде научную мысль, создаёт в биосфере
новую геологическую силу, в ней не бывалую. Биосфера
перешла или, вернее, переходит в новое
эволюционное состояние — в ноосферу
— перерабатывается научной мыслью социального
человека».

Таким
образом, понятие «ноосфера» предстаёт
в двух аспектах:

ноосфера
в стадии становления, развивающаяся стихийно
с момента появления человека;
ноосфера
развитая, сознательно формируемая совместными
усилиями людей в интересах всестороннего
развития всего человечества и каждого
отдельного человека

Труды
Вернадского определяют ряд конкретных
условий, необходимых для становления
и существования ноосферы. Перечислим
эти условия:

заселение
человеком всей планеты;
резкое преобразование
средств связи и обмена между странами;
усиление
связей, в том числе политических, между
всеми странами Земли;
начало преобладания
геологической роли человека над другими
геологическими процессами, протекающими
в биосфере;
расширение
границ биосферы и выход в космос;
открытие
новых источников энергии;
равенство
людей всех рас и религий;
увеличение
роли народных масс в решении вопросов
внешней и внутренней политики;
свобода научной
мысли и научного искания от давления
религиозных, философских и политических
построений и создание в государственном
строе условий, благоприятных для свободной
научной мысли;
продуманная
система народного образования и подъем
благосостояния трудящихся. Создание
реальной возможности не допустить недоедания
и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить
болезни;
разумное
преобразование первичной природы Земли
с целью сделать ее способной удовлетворить
все материальные, эстетические и духовные
потребности численно возрастающего населения;
исключение
войн из жизни общества.

Лучшее за месяц

Офтальмология. Учебник для вузов — Сидоренко Е.И. — 2002 год
Морфофункциональная характеристика В-лимфоцитов и плазматических клеток. Их участие в иммунных реакциях
Внешние силы, действующие на организм человека, и их краткая характеристика
Органеллы специального назначения (микроворсинки, реснички, тонофибриллы, миофибриллы), их строение и функции
Понятие о гемостазе
Цитоплазма. Общая морфо-функциональная характеристика. Классификация органелл, их структура и функции
Органеллы немембранного типа. Их строение и функции
Понятие о системах групп крови
Гиалоплазма. Её физико-химический состав и основные функции
Внутренние силы и их краткая характеристика
Органеллы мембранного типа. Их строение и функции
Понятие о крови
Строение и функциональное значение тимуса. Взаимодействие стромальных и гемопоэтичисеких элементов в ходе лимфопоэза. Эндокринная функция тимуса. Понятие о возрастной и акцидентальной инволюции вилочковой железы
Морфологическая и функциональная классификация нейронов. Структурная организация нейронов
Функциональная анатомия и топография серого вещества спинного мозга
Рыхлая волокнистая неоформленная соединительная ткань. Морфо-функциональная характеристика. Межклеточное вещество, строение и значение. Клетки фибробластического ряда, их роль в регуляции состава межклеточного вещества
Микроциркуляторное русло. Его морфо-функциональная характеристика. Классификация и общий план строения капилляров. Особенности строения капилляров по эндотелию, базальной мембране. Понятие о гистогематическом барьере
Генетика, молекулярная кибернетика. Личности и проблемы — Ратнер В.А. — 2002 год
Хрящевые ткани. Общая морфо-функциональная характеристика. Классификация. Развитие и особенности строения различных хрящевых тканей. Надхрящница. Рост хряща, возможности регенерации и возрастные изменения хрящевых тканей
Функциональная анатомия оболочек и межоболочечных пространств спинного и головного мозга

Биосфера

Понятие
биосферы возникло более ста лет
назад. Австрийский геолог Эдуард Зюсс,
говоря о различных оболочках земного
шара, впервые употребил этот термин. В
1926 году были опубликованы лекции В.И.
Вернадского, который определял термином
те слои земной коры, которые подвергались
в течение всей геологической истории
влиянию живых организмов, и впервые отвёл
живым организмам роль главнейшей преобразующей
силы планеты Земля, учитывая их деятельность
не только в настоящее время, но и в прошлом.

В
состав биосферы входят верхние слои
литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера)
и вся гидросфера, связанные между
собой сложными круговоротами веществ
и энергии.

Нижний
предел жизни на Земле (3 км) ограничен
высокой температурой земных недр, верхний
предел (20 км) – жёстким излучением ультрафиолетовых
лучей (всё, что находится ниже, защищено
озоновым слоем). Тем не менее, на границах
биосферы можно найти только микроорганизмы,
наибольшая концентрация биомассы наблюдается
у поверхности суши и океана, в местах
соприкосновения оболочек. Организмы,
составляющие биосферу, обладают способностью
к размножению и распространению по планете.

Совокупная
биомасса Земли составляет около 0,01%
массы всей биосферы. 97 % из этого количества
занимают растения, 3% – животные. Биомасса
организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена
зелеными растениями и 0,8% — животными и
микроорганизмами. Напротив, в океане
на долю растений приходится 6,3%, а на долю
животных и микроорганизмов — 93,7% всей
биомассы. Суммарная биомасса океана составляет
всего 0,13% биомассы всех существ, обитающих
на Земле.

Вещества
и энергию, необходимую для обмена веществ,
организмы черпают из окружающей среды.
Ограниченные количества живой материи
воссоздаются, преобразуются и разлагаются.
Ежегодно, благодаря жизнедеятельности
растений и животных, воспроизводится
около 10% биомассы.

Выделяют
несколько уровней организации живой
материи:

Молекулярный.
Любая живая система проявляется на уровне
взаимодействия биологических макромолекул:
нуклеиновых кислот, полисахаридов, а
также других важных органических веществ.
Клеточный.
Клетка — структурная и функциональная
единица размножения и развития всех живых
организмов, обитающих на Земле. Неклеточных
форм жизни нет, а существование вирусов
лишь подтверждает это правило, т.к. они
могут проявлять свойства живых систем
только в клетках.
Организменный.
Организм представляет собой целостную
одноклеточную или многоклеточную живую
систему, способную к самостоятельному
существованию. Многоклеточный организм
образован совокупностью тканей и органов,
специализированных для выполнения различных
функций.
Популяционно-видовой.
Под видом понимают совокупность особей,
сходных по структурно-функциональной
организации, имеющих одинаковый кариотип
и единое происхождение и занимающих определенный
ареал обитания, свободно скрещивающихся
между собой и дающих плодовитое потомство,
характеризующихся сходным поведением
и определенными взаимоотношениями с
другими видами и факторами неживой природы.
Совокупность
организмов одного и того же вида, объединенная
общим местом обитания, создает популяцию
как систему надорганизменного порядка.
В этой системе осуществляются простейшие,
элементарные эволюционные преобразования.
Биогеоценотический.
Биогеоценоз — сообщество, совокупность
организмов разных видов и различной сложности
организации со всеми факторами конкретной
среды их обитания — компонентами атмосферы,
гидросферы и литосферы.
Биосферный.
Биосфера — самый высокий уровень организации
жизни на нашей планете. В ней выделяют
живое вещество — совокупность всех живых
организмов, неживое или косное вещество
и биокосное вещество (почва).

В
организмах содержатся все известные
сегодня химические элементы.

Взаимодействия внутри экосистемы

Экосистемы представляют собой сложные сети взаимодействий между живыми организмами и их физической средой. Эти взаимодействия играют решающую роль в формировании структуры и функционирования экосистем. В эта секция, мы будем исследовать что собой представляет различные виды взаимодействий, происходящих внутри экосистемы.

Взаимодействие между абиотическими и биотическими компонентами

Aбиотические факторы см. неживые компоненты экосистемы, таких как температура, солнечный свет, вода и почва. Эти факторы оказывают существенное влияние на распределение и численность живых организмов в экосистеме.

Один пример of взаимодействие между абиотический и биотические компоненты is Эффект of структура среды обитания о распространении видов. Например, оффшорные ветропарки (OWF) могут изменить среда обитания структуру, создав искусственные сооружения in морская среда. Эти структуры может увеличить сложность of среда обитания, Обеспечивая новые ниши для различные виды.

Присутствие OWF также может привести к изменениям в схемы течения воды, что влияет на распределение виды рыб. Некоторые виды рыб может быть привлечен к фундаментные конструкции около турбины, в то время как другие могут избегать эти области. Это взаимодействие между среда обитания структура и виды рыб демонстрирует, какбиотические факторы может влиять на распространение и численность биотические компоненты внутри экосистемы.

Биотические взаимодействия

Биотические взаимодействия см. отношения между разные живые организмы внутри экосистемы. Эти взаимодействия можно разделить на различные виды, включая конкуренцию, хищничество, мутуализм и комменсализм.

Конкуренция обычный биотическое взаимодействие что происходит, когда два и более вида конкурировать за ограниченные ресурсы, например, еда, вода или места гнездования, Например, в лесная экосистема, разные породы деревьев могут конкурировать за солнечный свет и питательные вещества. Это соревнование может привести к разделению ниши, где каждый вид занимает определенная экологическая ниша уменьшить конкуренцию и сосуществовать.

Хищничество другой важный биотическое взаимодействие в экосистемах. Хищники питаются другими организмами, известными как добыча, и играют решающую роль в регуляции размеры населения и поддержание баланса экосистемы. Например, в экосистема лугов, присутствие хищников, таких как львы или гепарды, могут контролировать население травоядных животных, таких как зебры или газели.

Мутуализм это тип of биотическое взаимодействие в котором оба вида выгоду от отношений. Пример мутуализм – это отношения между пчелами и цветущие растения. Пчелы собирают нектар с цветков в пищу, при этом нечаянно перенося пыльцу с один цветок другому, помогая размножение растений.

Комменсализм – это биотическое взаимодействие в котором один вид приносит пользу, в то время как другой не получает ни вреда, ни пользы. Пример Комменсализм – это отношения между цапли крупного рогатого скота и пасущиеся млекопитающие. Цапли питаются насекомыми, которых беспокоят Движение пасущиеся млекопитающие, не вызывая любой вред в млекопитающие.

Эти биотическое взаимодействиеОни необходимы для поддержания баланса и стабильности экосистем. Они способствуют разнообразие и сложность видов внутри сообщества, что в конечном итоге формирует структуру и функционирование всей экосистемы.

В заключение отметим, что взаимодействия внутри экосистемы динамичны и сложны. Взаимодействие между абиотический и биотические компоненты, а также различные биотическое взаимодействиеs, формируют структуру и функционирование экосистем. Понимание эти взаимодействия имеет решающее значение для усилия по сохранению и поддержание здоровья и жизнестойкости наши природная среда.

Уровни

Первый уровень в структурной организации живой материи молекулярный. Молекулы – мельчайшей частицы вещества, состоящей из атомов. Молекулы не являются живыми системами в отличии от клетки. К наукам, изучающим живое на молекулярном уровне, относятся биохимия и молекулярная биология. В живых телах молекулы образуют клетки, из которых в многоклеточных организмах строятся ткани и органы. Организмы, взаимодействуя между собой, образуют более сложные надорганизменные уровни. Наивысшим уровнем организации живой материи на Земле является биосфера. Подробное описание уровней организации живой природы представлено в таблице.

Уровень	Элементы системы	Процессы
Молекулярный (молекулярно-генетический)	Атомы и ионы, молекулы органических и неорганических соединений, биополимеры – ДНК, РНК, белки, полисахариды.	Обмен веществ и превращение энергии, передача генетической информации.
Клеточный	Органоиды (органеллы) клетки, комплексы химических соединений.	Синтез и распад органических соединений, транспорт химических веществ, рост и размножение, раздражимость.
Тканевый	Специфичные клетки, межклеточное вещество.	Специализация клеток и выполнение ими соответствующих функций.
Органный	Разнотипные ткани, образующие органы.	Работа органов в зависимости от назначения: движение, газообмен, возбудимость, пищеварение и т.д.
Организменный (онтогенетический)	Системы органов, образующие многоклеточный организм – отдельную функциональную структуру животного или растительного происхождения. У одноклеточных организмов уровень совпадает с клеточным.	Наследственность, изменчивость, саморегуляция, рост и развитие, размножение.
Популяционно-видовой	Группы особей одного вида, объединённые в популяции. Несут единый генофонд, выделяются одинаковыми морфологическими и поведенческими признаками, занимают определённый ареал.	На уровне популяций начинаются эволюционные процессы: естественный отбор, борьба за существование (взаимодействие особей между собой и с окружающей средой), адаптация к изменяющимся условиями др.
Биогеоценотический (экосистемный)	Популяции разных видов, факторы среды	Круговорот веществ и поток энергии
Биосферный	Биогеоценозы, деятельность человека (ноосфера)	Биогенная миграция атомов, воздействие человека на биосферу.

Рис. 1. Уровни организации.

Каждый уровень организации имеет свои закономерности. Для изучения отдельного уровня выделены специализированные направления биологии. Например, начальный уровень изучают молекулярная биология и биохимия, клетку исследует цитология, ткани – гистология, популяции и их взаимодействие с окружающей средой – экология.

Определение экологии как науки: краткая история экологии

Слово экология образовано от греческих «ойкос» (что означает дом, жилище, местообитание, убежище) и «логос» (наука). В буквальном смысле экология – это наука об организмах «у себя дома».

В настоящее время большинство исследователей считает, что экология – это наука, изучающая отношения живых организмов между собой и окружающей средой или наука, изучающая условия существования живых организмов, взаимосвязи между средой, в которой они обитают.

Возникновение экологии связано с идеями всестороннего, системного подхода к действительности. Особенность экологического подхода определяется тем, что в представление об экосистеме входят две крупные подсистемы.

Одна из них помещается в центре и рассматривается как главный объект, а другая как окружающая среда, с которой центральный объект обменивается информацией, веществом и энергией. Все связи оцениваются, прежде всего, по их воздействию на установленный объект.

Следовательно, основным содержанием экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов и биосферы, их продуктивности и энергетики.

Отсюда очевидно, что предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы), их динамика во времени и пространстве.

Задачи экологии

Задачи экологии связаны с изучением динамики популяции, к учению о биогеоценозах и их системах, выявлению закономерностей и процессов существования макросистем, в также поиск рациональных путей управления системами в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты.

Экология — один из сравнительно молодых и стремительно развивающихся разделов биологии. Тем не менее, в той или иной степени взаимоотношение организмов со средой изучают разные разделы биологии (табл. 1,). Экология затрагивает лишь те стороны, которые связаны с изучением развития, размножения и выживания особей, структуру и динамику популяций и сообществ.

Тесные связи экологии установились с физиологией, в результате чего выделилось и успешно функционирует такое направление, как экологическая физиология. Экологические и физиологические методы взаимно пронизывают обе науки. Также тесно происходит взаимодействие экологии с морфологией, дав нам такие направления, как экологическая морфология и экологическая эмбриология.

Классификация биологических наук (по Б.Г. Иоганзену, 1959): таблица

Общие науки	Частные науки	Комплексные науки
Систематика	Микробиология	Гидробиология
Морфология	Ботаника	Аэробиология
Физиология	Зоология	Почвоведение
Экология	Антропология	Паразитология
Генетика
Биогеография
Эволюционное учение

Экология тесно связана с систематикой, так, последняя не может обойтись без экологических критериев для точного определения изучаемых видов. Существует тесная связь экологии с эволюционным учением и генетикой. Сейчас уже не вызывает сомнения тот факт, что в природе имеют место экологические механизмы эволюции, исследование которых должно вестись при совместной работе экологов, генетиков и эволюционистов.

На базе экологии стало возможно развитие таких дисциплин, как биогеография, этиология, палеоэкология. Геоморфология и почвоведение сблизились с экологией, поскольку многие процессы образования и разрушения почв происходят при участии животных и растений.

Выясняя характер влияния физических факторов среды на организм и ответные реакции последних, экология не обходится без таких небиологических наук, как климатология, метеорология, физическая география.

Достижения экологии успешно применяются в сельском, охотничье-промысловом, лесном хозяйствах, медицине, ветеринарии, при проведении мероприятий по охране природы, рациональном природопользовании ее ресурсов.

В экологии выделяют следующие основные уровни организации живых систем: молекулярный (генный); клеточный; тканевый, органный; организменный; популяционный (популяционно-видовой); биоценотический; биогеоценотический (экосистемный); биосферный.

Экология изучает, главным образом, системы надорганизменных уровней организации: популяционные, экологические.

Самой крупной и наиболее близкой к идеалу по «самообеспечению» веществом и энергией является биологическая система – биосфера. Она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой как единое целое.

Системный подход указывает на необходимость учета множества факторов при анализе тех или иных явлений и тем боле при планировании вмешательства в экосистемы.