Раздел 1. Жизнь на Земле. Основы фундаментальной экологии

Определения и обозначения

Экология — наука о взаимодействии живых организмов между собой и с окружающей средой. Её объектом считают живые системы, а предметом — связи и закономерности их взаимодействия. Для изучения применяют наблюдение, эксперимент, сравнение, моделирование и мониторинг.

Уровни организации живого — взаимосвязанные уровни, на которых рассматривают жизнь: организм, популяция, сообщество, экосистема и биосфера. Каждый следующий уровень включает объекты предыдущего и новые связи между ними. Такое деление помогает изучать жизнь от отдельной особи до всей планеты.

Экологические факторы — компоненты среды, которые воздействуют на организм. Абиотические факторы имеют неживую природу, биотические связаны с другими организмами, а антропогенные вызваны деятельностью человека. Разделение показывает источник воздействия и помогает объяснить реакцию организма.

Биосфера — глобальная оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная их деятельностью. Она объединяет все экосистемы и связывает живую и неживую природу планеты. Это понятие нужно, чтобы рассматривать последствия природных процессов и деятельности человека в мировом масштабе.

Как это устроено

Экологию изучают как науку о связях, потому что организм не существует изолированно. Он получает из среды воду, вещества и энергию, реагирует на температуру и другие условия, а сам выделяет вещества, изменяет почву или воздух. Одновременно организм конкурирует, сотрудничает или взаимодействует с другими организмами, поэтому его состояние определяется целой системой отношений.

Уровни организации образуют систему благодаря включённости объектов друг в друга. Организмы одного вида объединяются в популяции, популяции разных видов образуют сообщество, а сообщество вместе с почвой, водой, воздухом и климатом составляет экосистему. Совокупность всех экосистем связана потоками веществ и энергии и образует биосферу.

Экологический фактор действует не одинаково во всех случаях. Результат зависит от природы фактора, его интенсивности и продолжительности, а также от особенностей конкретного организма: возраста, состояния и приспособленности. Поэтому один и тот же недостаток воды может быть переносимым для засухоустойчивого растения и губительным для влаголюбивого.

Экосистеме нужны потоки энергии и круговороты веществ, потому что жизнь требует постоянного поступления энергии и строительных материалов. Энергия Солнца запасается производителями, затем передаётся потребителям и разрушителям по пищевым связям, причём на каждом переходе часть рассеивается как тепло. Вещества не исчезают после использования: они переходят из почвы, воды и воздуха в организмы, а затем возвращаются в неживую среду.

Живые организмы формируют биосферу, изменяя состав атмосферы, почвы и вод, участвуя в образовании осадочных пород и круговоротах веществ. Человек стал фактором планетарного масштаба из-за промышленности, сельского хозяйства, добычи ресурсов и преобразования ландшафтов. Его воздействие одновременно меняет климат, местообитания, численность видов и движение веществ по всей планете.

Уровни организации живого и основные экологические связи

В таблице удобно сравнивать уровни по составу объекта и по связям, которые на нём изучают. Двигайтесь сверху вниз: каждый следующий уровень добавляет новые элементы и более сложные взаимодействия.

Разбор задач

Уровни организации живого

Нужно определить уровень для одного волка, стаи волков, всех организмов леса и леса вместе с почвой и климатом. Сначала установим, какие объекты входят в каждую группу. Затем проверим, есть ли среди них только один вид, разные виды или ещё и неживая среда.

1. Один волк — отдельная особь, значит, это уровень организма.
2. Стая волков состоит из особей одного вида на общей территории, поэтому это популяция.
3. Все организмы леса образуют сообщество, а лес вместе с почвой и климатом — экосистему.

Ответ: один волк — организм; стая волков — популяция; все организмы леса — сообщество; лес вместе с почвой и климатом — экосистема. Ключевой признак экосистемы — наличие и живых, и неживых компонентов.

Классификация экологических факторов

Распределим температуру, хищничество, вырубку леса, конкуренцию растений за свет и загрязнение воды. Для каждого примера нужно определить источник воздействия, а не только его внешний вид. Неживой компонент даёт абиотический фактор, другой организм — биотический, деятельность человека — антропогенный.

1. Температура относится к абиотическим факторам.
2. Хищничество и конкуренция растений — биотические факторы, так как их вызывают живые организмы.
3. Вырубка леса и загрязнение воды — антропогенные факторы, потому что они связаны с деятельностью человека.

Ответ: абиотический фактор — температура; биотические — хищничество и конкуренция; антропогенные — вырубка леса и загрязнение воды. Один фактор может иметь физическую форму воздействия, но классифицируют его по происхождению.

Передача энергии по пищевой цепи

Рассмотрим цепь «трава — кузнечик — лягушка — уж». Трава является производителем, кузнечик — растительноядным потребителем, а лягушка и уж — последующими потребителями. Нужно показать направление энергии и объяснить, почему к концу цепи её доступно меньше.

1. Энергия поступает от Солнца к траве и запасается в органических веществах растения.
2. При поедании травы часть энергии получает кузнечик, затем она передаётся лягушке и ужу.
3. На каждом переходе значительная часть энергии расходуется на жизнедеятельность и рассеивается как тепло, поэтому её доступное количество уменьшается.

Ответ: энергия движется от Солнца через траву, кузнечика, лягушку к ужу в одном направлении. В отличие от энергии, вещества не исчезают после передачи, а возвращаются в среду и снова включаются в круговороты.

Типичные ошибки

Экологию считают только охраной природы. Так происходит, потому что в быту слово часто связывают с загрязнением и заповедниками. Проверка простая: вспомните, что экология изучает любые связи организмов со средой, а охрана природы применяет эти знания на практике.

Сообщество путают с экосистемой. Ошибка возникает, когда живые организмы рассматриваются отдельно от условий их существования. Проверьте состав объекта: только популяции разных видов — сообщество, а вместе с почвой, водой, воздухом и климатом — экосистема.

Любой фактор среды называют абиотическим. Иногда внимание обращают на форму воздействия, например на загрязнение воды, и забывают о его происхождении. Чтобы проверить себя, спросите, что является источником фактора: неживая природа, другой организм или деятельность человека.

Потоки энергии и круговороты веществ считают одинаковыми. Это происходит потому, что и энергия, и вещества переходят между компонентами экосистемы. Но энергия проходит через систему и рассеивается, а вещества многократно возвращаются в живую и неживую природу.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о признаках живого, уровнях организации организма и среде обитания. Они помогают увидеть, как свойства отдельной особи связаны с условиями среды.

Тема подготавливает изучение популяционной экологии, экосистем, биогеохимических круговоротов и закономерностей биосферы. Эти разделы подробно раскрывают связи, обозначенные здесь в общем виде.

Понятия экологических факторов и устойчивости пригодятся при объяснении последствий хозяйственной деятельности человека. На их основе оценивают нарушения экосистем и выбирают способы охраны природы.

Что запомнить

• Экология изучает связи организмов между собой и с окружающей средой.
• Жизнь рассматривают на взаимосвязанных уровнях: организм, популяция, сообщество, экосистема и биосфера.
• Экологические факторы бывают абиотическими, биотическими и антропогенными.
• Экосистема включает живое сообщество и неживую среду.
• Энергия передаётся по пищевым связям и постепенно рассеивается.
• Вещества в экосистемах участвуют в круговоротах.
• Биосфера является глобальной системой взаимодействия живой и неживой природы.