Методические указания к изучению общего курса ''Экология'' для студентов 4 курса дневного отделения физического факультета

Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет Физический факультет

А.О. Кучеренко

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к изучению общего курса “Экология” для студентов 4 курса дневного отделения физического факультета

Ростов-на-Дону 2000

2

Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета РГУ. Протокол № 10 от 1 декабря 2000 года

Автор и составитель - к. б. н., ассистент кафедры биофизики и биокибернетики Александра Олеговна Кучеренко.

3

СОДЕРЖАНИЕ стр. 1. Введение ............................................................................................. 4 2. Расширенная программа курса ......................................................... 5 3. Словарь основных терминов ………………………….…..…......….... 8 4. Контрольные задания по биоэкологии .............................................12 5. Список рекомендуемой литературы ................................................14 6. Самостоятельная работа студентов ................................................15

4

ВВЕДЕНИЕ На рубеже XX и XXI веков экология считается одной из самых популярных наук естественного цикла. Основная причина этого – зарождение нового типа общественного экологического сознания в 70-х гг. XX века. Господствовавшее до этого времени во всем мире антропоцентристское экологическое сознание сформировалось на убеждениях, что человек - хозяин природы и он должен использовать готовые природные ресурсы для удовлетворения своих потребностей. Такое отношение к природе существовало во всех сферах человеческого общества. Вторая половина XX в. преподнесла человечеству неожиданные, но вполне закономерные сюрпризы. Все чаще на поверхность стали выходить вопросы развития явлений экологического кризиса биосферы, ухудшения среды обитания людей, вызванные антропогенной деятельностью и ставящие под угрозу возможность сохранения полноценной жизни без осуществления эффективных мер по охране природы и рациональному природопользованию. Возникла необходимость в формировании нового типа экологического сознания о системе взаимоотношений общества и природы на основе коэволюции. Зарождение экоцентристского экологического сознания способствовало интеграции научных знаний и переходу экологической науки на междисциплинарный уровень. Современная экологическая ситуация как в России, так и во всем мире, требует всеобщей экологической грамотности, экологизации всех наук и всей деятельности человека. Целью данного общего курса является знакомство студентов физического факультета с понятиями и закономерностями биоэкологии как фундаментальной основы современных общеэкологических знаний, а также с основными проблемами прикладной экологии.

5

РАСШИРЕННАЯ ПРОГРАММА КУРСА 1. Предмет и задачи экологии. Этапы развития экологии. Предмет экологии. Элементарная единица в экологии. Содержание современной экологии. Уровни организации живой материи. Связь современной экологии с другими дисциплинами области знания. Структура современной экологии, задачи экологии. 2. Факториальная экология. 2.1. Общие закономерности количественного действия факторов среды на организм. Экологические факторы, их классификация. Условия жизни. Условия существования. Зона оптимума, нормы и пессимума. Пределы выносливости. Экологическая валентность. Эврибионтные, стенобионтные виды. Убиквисты. Адаптация. Гомеостаз. Адаптивность. Коадаптация. Лимитирующие факторы. Экологический закон минимума Либиха. Дополнения к закону. 2.2. Температура как экологический фактор. Биокинетическая температура. Температурные пределы жизни. Криофилы. Термофилы. Классификация организмов по источнику тепловой энергии. Температурные адаптации у растений. Терморегуляция. Пути физической, химической и поведенческой терморегуляции у животных. 2.3. Вода как экологический фактор. Значение воды для жизнедеятельности организмов. Физические свойства воды. Водообеспеченность наземных организмов. Источники воды у растений и животных. Роль влажного воздуха в жизни организмов. Экологические группы организмов по отношению к влаге. Экологические группы растений по отношению к воде. Адаптация организмов к недостатку влаги. 2.4. Свет как экологический фактор. Распределение солнечной радиации на Земле. Солнечная постоянная. Биологическое действие ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра солнечного света. Видимый свет. Составляющие види-

6

мой части света. Световое довольствие. Экологические группы растений, животных по отношению к условиям освещенности. Фотопериод. Фотопериодизм.

2.5. Эдафические экологические факторы. Почва. Значение почвы. Плодородие. Структура почв. Экологические группы почвенной биоты. Основные почвенные горизонты. Типы почв в России и на территории Ростовской области. 3. Популяционная экология. 3.1. Понятие о популяции. Вид. Ареал. Местообитание. Свойства популяции: численность, плотность, рождаемость, смертность, скорость роста, миграции. 3.2. Структура популяции. Возрастная структура у животных и у растений. Возрастные пирамиды. Кривые выживания. Половая структура: первичная, вторичная, третичная. Виды пространственной структуры. Типы использования пространства у животных. Этологическая структура популяции. 3.3. Динамика популяций. Математическая модель роста популяции. Модификация и регуляция. Внутри- и межвидовые механизмы регуляции численности. Типы динамики численности. 4. Экология сообществ. Типы межвидовых взаимодействий по В.Н. Беклемишеву. Симбиотические, антибиотические отношения и нейтрализм. Математическая модель межвидовой конкуренции. Принцип Вольтерра-Гаузе. Математическая модель хищник-жертва. Биоценоз. Биогеоценоз. Экосистема. Структура биоценозов. Экологическая ниша. Функциональные группы организмов в экосистемах - продуценты, консументы, редуценты. Цепи питания. Экологические пирамиды. Динамика экосистем. Сукцессии. Стадия климакса. Кибернетическая природа экосистем. Виды экосистем. 5. Основы учения о биосфере. Учение Н.И. Вернадского о биосфере. Понятие о биосфере, границы

7

биосферы. Структура биосферы. Живое вещество. “Пленки жизни”. Функции живого вещества. Роль живых организмов в круговороте веществ. Формирование ноосферы. 6. Природопользование. Природная среда, природные условия, природные ресурсы. Классификация природных ресурсов. Рациональное природопользование. Экологический кризис и экологическая катастрофа. Экология человека. Коэволюция общества и природы. Экологизация НТП. Внедрение ресурсосберегающих технологий. Переход к безотходным технологиям. Методы очистки производственных сточных вод. Энергетика и природопользование. 7. Загрязнение окружающей среды и экологические последствия. Виды загрязнений. Источники физического загрязнения. Основные химические загрязнители. Биологическое загрязнение. Виды отходов. Экологические последствия загрязнений. Нарушение озонового слоя. Кислотные дожди. Парниковый эффект. 8. Охрана природной среды. Понятие об охране природы. Принципы охраны. Охраняемые природные территории. Основные экологические нормативы. Экологический мониторинг. Экологическая экспертиза.

8

СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ Автотрофы (от греч. autos – сам, trophe – питание) – организмы, создающие органические вещества из неорганических. Адаптация (от лат. adaptatio – приспособление) – изменение признаков и свойств живых систем, позволяющих им приспосабливаться к условиям среды обитания. Проявляется на всех уровнях организации жизни. Аменсализм (от лат. a - отрицание; mensa - трапеза) - тип биотических взаимодействий популяций двух видов,. при котором популяция одного вида подавляет популяцию другого вида, но сама не испытывает отрицательного воздействия. Ареал (от лат. area – площадь) – область распространения вида или популяции, на которой они встречаются в течение всей жизнедеятельности. Безотходная технология - рациональное использование природных ресурсов и энергии в промышленности и сельском хозяйстве, позволяющее получать продукт практически без отходов. Биогеоценоз (от греч. bios - жизнь; geios - земля; koinos - сообщество) совокупность живых и неживых систем, между которыми существует обмен веществ и энергии. Биосферный заповедник - эталонные участки биосферы, типичные или уникальные экосистемы, находящиеся под охраной и наблюдением. Территориальная их структура предусматривает 3-4 зоны. В центре - зона ядра, которая полностью исключается из любой хозяйственной деятельности. Она предназначена для охраны экосистемы, ее генофонда, флоры и фауны. Вторая зона - буферная, предохраняет ядро от прямых антропогенных воздействий. На ней осуществляется ограниченная хозяйственная деятельность и проведение экскурсий. Следующие зоны - типичного для данной местности рационального хозяйственного использования и восстановления естественных экосистем. В этих зонах проводятся научные исследования о состоянии биосферы в условиях антропогенного преобразования. Биоценоз - совокупность популяций разных видов,.. обитающих на одной

9

территории. Вид - совокупность популяций, объединенных общностью морфологических, физиологических, генетических и экологических признаков, занимающих один ареал. Живое вещество - совокупность всех живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, находящихся в биосфере. Понятие введено В.И. Вернадским. Комменсализм (от лат. commensalis - сотрапезник) - форма симбиотических межвидовых отношений, при которой популяция комменсал получает пользу, а популяции другого вида такие отношения безразличны. Консументы ( от лат. consumo - потребление) - функциональная группа гетеротрофных организмов, потребляющих готовые органические вещества для обеспечения процессов жизнедеятельности. Различают консументы первого порядка (растительноядные), второго порядка (плотоядные, некрофаги, паразиты) и третьего порядка (хищники). Мониторинг (от лат. monitor - наблюдатель) - комплексная система непрерывного наблюдения, контроля и прогноза состояния окружающей природной

среды.

Выделяют

санитарно-гигиеническую,

природно-

хозяйственную и глобальную ступени мониторинга. Мутуализм ( от лат. mutuus - взаимный) - форма симбиотических межвидовых отношений, при которой популяции обоих видов получают пользу и не могут существовать самостоятельно. Ноосфера ( от греч. noos - разум) - высшая ступень развития биосферы (по В.И. Вернадскому), где будет господствовать разум человека. Особо охраняемые природные территории- участки суши или водной поверхности, в пределах которых запрещена хозяйственная деятельность человека с целью сохранения экологического равновесия. Парниковый эффект - постепенное увеличение среднегодовой температуры воздуха, связанное с накоплением в атмосфере антропогенных примесей (углекислого газа, метана, фреонов, озона, оксидов азота), которые препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Зем-

10

ли. Пестициды - ядовитые химические соединения, применяемые в сельском хозяйстве для защиты растений от различных вредителей. Отличаются высокой биологической активностью, токсичностью. Накапливаясь в природной среде, вызывают ее загрязнение. Популяция - совокупность особей одного вида, длительное время проживающих на определенной территории и находящихся во взаимодействии между собой. Продуценты ( от лат. producens - производящий) - функциональная группа автотрофных организмов, синтезирующих органические вещества из простых неорганических. Редуценты (от лат. reducens - восстанавливающий) - функциональная группа организмов, осуществляющих минерализацию - разложение органических веществ до неорганических (бактерии, грибы). Сукцессия ( от лат. succession - преемственность, наследование) - изменение во времени видового состава биоценотических процессов экосистем (биогеоценозов) под действием экологических факторов. Приводит к смене сообществ в данном пространстве. Терморегуляция - комплекс адаптационных процессов в организме, определяющих теплопродукцию и теплоотдачу в соответствии с условиями внешней и внутренней среды. Уровень организации жизни - искусственно выделенная система живого определенной степени сложности, занимающая свое функциональное место в общей системе систем. Фотопериодизм - приспособительная реакция организмов, выражающаяся в зависимости физиологических процессов от продолжительности дня и ночи. Фреоны (хлорфторуглероды) - химические вещества, применяемые в промышленном производстве и быту. В верхних слоях атмосферы подвергаются фотохимическому разложению с образованием соединений, разрушающих озоновый слой.

11

Цепи питания - система трофических уровней в экосистеме, по которым передается энергия. Первый трофический уровень занимают продуценты, последний - редуценты. Экологическая валентность - способность живых организмов переносить колебания действия экологических факторов среды в тех или иных пределах. Экологическая ниша - функциональная роль организма (популяции, вида) в экосистеме. Экологические нормативы - показатели предельно допустимых воздействий человека на окружающую природную среду. Различают санитарногигиенические, производственно-хозяйственные и комплексные показатели качества окружающей природной среды. Экологическое право - отрасль правоведения, занимающаяся регулированием взаимоотношений общества и окружающей природной среды. Экосистема - любая совокупность живых и неживых систем, между которыми существует обмен веществ и энергии. Экотоксиканты - все химические вещества, загрязняющие окружающую среду (тяжелые металлы, оксиды азота и углерода, нефтепродукты, СПАВ, фенолы, пестициды и др.).

12

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО БИОЭКОЛОГИИ Ко 2 разделу 1 Изобразите графически положения температурных оптимумов для пойкилотермных организмов холодных и теплых мест обитания при одинаковой их экологической валентности. 2. Изобразите графически количественное действие светового экологического фактора на 3 вида растительных организмов, у которых одинаковые зоны оптимума, но интенсивность проявления жизненных процессов (рост растений) разная. 3. Составьте сравнительную таблицу основных отличий между пойкило- и гомойотермными организмами по изменению их теплопродукции и теплоотдачи при повышении и понижении температуры внешней окружающей среды. 4. Покажите графически соотношение температурных оптимумов у гомойои пойкилотермных организмов при одинаковых границах их выживаемости и объясните их соотношение. 5. Сравните графически относительные пределы толерантности ксерофитов, мезофитов и гигрофитов. Какие организмы обладают наибольшей экологической валентностью? 6. Приведите примеры экологических факторов, максимальные или минимальные значения которых более благоприятны для организма, чем оптимальное значение. К 3 разделу 1. Изобразите графически и объясните зависимости рождаемости и смертности от плотности клональной и панмектической популяций, не учитывая факторы миграции и наличия естественных врагов. 2. Популяция растет с r=0,5 в сутки. Во сколько раз ее численность увеличится за 0,5; 1 и 2 суток? 3. Численность одной популяции возросла за месяц от 100 до 200 особей, а второй от 1000 до 1500 особей. У какой популяции коэффициент мгновенного роста больше?

13

4. Одна популяция выросла за год вдвое, другая за 3 года - в 8 раз. Найдите коэффициенты мгновенного роста популяции. 5. Определите величину r графически для экспоненциально растущей популяции, если каждые 2 суток происходит 10-кратное увеличение численности. К 4 разделу 1. В лабораторных условиях получили устойчивые колебания численности хищника и жертвы вокруг средних значений Nж=100 и Nх=10. Пользуясь моделью Вольтерра-Лотки, вычислите скорость изменения численности хищника и жертвы при Nж=200 и Nх=20, зная что rж=0,1 особь в сутки, а αх=0,05 особей в сутки. 2. В рамках модели межвидовой конкуренции Вольтерра объясните: могут ли линии равновесия двух видов совпадать? Каков в этом случае исход конкурентного взаимодействия? 3. Какой биогеоценоз (первичный, сериальный, климаксный) обладает наибольшим видоразнообразием и каков тип стратегии у видов разных сообществ? 4. Какие виды пищевых цепей встречаются в экосистеме “дачный участок”? Произойдут ли изменения в пищевых цепях после использовании человеком пестицидов?

14

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов-на-Дону: изд-во “Феникс”, 2000. - 576 с. 2. Одум Ю. Экология / Пер. с англ. Т.1-2. М.:Мир, 1996. - 328 с. 376 с. 3. Реймерс Н.Ф. Экология. - М.:Россия молодая, 1994. - 367 с. 4. Вронский В.А. Прикладная экология. - Ростов-на-Дону: изд-во “Феникс”, 1996. - 512 с. 2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир / Пер. с англ. Т. 1-2. М.: Мир, 1993. - 424 с. 336 с. 2. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. - 637 с. 3. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России. М.: Финансы и статистика, 1995. 4. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Словарь экологических терминов и понятий. - М.: Финансы и статистика, 1997. - 159 с.

15

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ По данному курсу предусмотрена самостоятельная работа студентов, заключающаяся в написании реферата. Цель написания реферата дополнительная работа студентов с современной литературой по самостоятельно выбранной теме (см. ниже). Рекомендуемый объем реферата 10 печатных листов. Титульный лист реферата должен содержать следующие сведения: название министерства, университета, дисциплины и темы реферата, ФИО студента, № группы, год написания реферата. На 2 листе целесообразно разместить содержание разделов реферата и обозначить начальные страницы. Последняя страница должна содержать список использованной литературы с указанием автора, названия работы, места и года издания книги, или, если была использована статья - название журнала, год, номер тома, выпуска и номера страниц. Источники литературы из Интернета оформляются точно также. Использование готовых рефератов из Интернета не является самостоятельной работой студентов. ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 1. Система экологического образования России. 2. Место экологического образования в системе школьного образования. 3. Экологическое образование в цикле естественных дисциплин. 4. Техногенные физические поля. 5. Последствия Чернобыльской катастрофы. 6. Экологические последствия стихийных бедствий. 7. Красная книга России. 8. Государственные природные заповедники России. 9. Биосферные заповедники РФ. 10. Национальные парки РФ. 11. Экологические движения и организации России. 12. Объекты всемирного наследия ЮНЕСКО от РФ. 13. Международные объекты охраны природной среды. 14. Особо охраняемые природные территории Ростовской области.

16

15. Состояние земельных ресурсов Ростовской области. 16. Экологическая обстановка в г. Ростове-на-Дону. 17. Экологическое состояние атмосферы г. Ростова-на-Дону. 18. Загрязнение водных ресурсов г. Ростова-на-Дону. 19. Загрязнение атмосферного воздуха отраслями народного хозяйства г. Ростова-на-Дону. 20. Мониторинг водных объектов на территории Ростовской области. 21. Проблема отходов на территории Ростовской области. 22. Состояние здоровья населения Ростовской области. 23. Влияние физических факторов среды на здоровье населения Ростовской области. 24. Самостоятельно выбранная тема по экологическому праву.