Методические указания к общему курсу ''Экология'' для студентов физического факультета

Министерство образования Российской Федерации ГОУ ВПО "Ростовский государственный университет" Физический факультет

А.О. Кучеренко, В.С. Цыганков

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к общему курсу “Экология” для студентов физического факультета

Ростов-на-Дону 2004

2

Печатается по решению кафедры биофизики и биокибернетики физического факультета РГУ. Протокол № 21 от 16 декабря 2003 года

Авторы и составители - к. б. н., асс. кафедры биофизики и биокибернетики Александра Олеговна Кучеренко; к.х.н., доц. кафедры биофизики и биокибернетики Вячеслав Сергеевич Цыганков.

3

СОДЕРЖАНИЕ стр. 1. Введение ........................................................................................... 4 2. Расширенная программа курса ....................................................... 5 3. Словарь основных экологических терминов ….………………….... 8 4. Варианты контрольных работ по экологии ….………………....…...11 5. Список рекомендуемой литературы ................…...........................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, включая экологическое право и международное сотрудничество в области охраны окружающей среды.

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. Экологическая толерантность. Эврибионтные, стенобионтные виды. 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 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. Экологические группы организмов 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 видимой части света. Экологические группы растений, животных по отношению к условиям освещенности. Фотопериод. Фотопериодизм.

6

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. Популяция. Виды популяций. Местообитание и экологическая ниша. 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. Уравнение роста популяции. Логистическая модель роста популяции. Модификация и регуляция. Типы динамики численности. 4. Экология сообществ. 4.1. Межвидовые отношения. Типы межвидовых взаимодействий по В.Н. Беклемишеву. Симбиотические, антибиотические отношения и нейтрализм. Математическая модель межвидовой конкуренции. Принцип Вольтерра-Гаузе. r- и

K-

стратегия. Математическая модель хищник-жертва. 4.2. Учение об экосистеме. Сообщество (биоценоз). Экосистема. Биогеоценоз. Видовая и пространственная структура биоценозов. Функциональные группы организмов в экосистеме. Пищевые цепи, виды пищевых цепей. Экологические пирамиды. Динамика экосистем. Сукцессии. Стадия климакса. Классификация экосистем. Кибернетическая природа 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. Коэволюция общества и природы. Экологизация НТП. Внедрение ресурсосберегающих технологий. Переход к безотходным технологиям. Энергетика и экология. 7. Загрязнение окружающей среды и экологические последствия. Виды загрязнений. Источники физического загрязнения. Основные химические загрязнители. Биологическое загрязнение. Виды отходов. Экологические последствия загрязнений. Кислотные дожди. Нарушение озонового слоя. Парниковый эффект. 8. Основы экологического права. 8.1. Охрана окружающей среды. Предмет экологического права. Источники экологического права. Объекты охраны. Особо охраняемые природные территории. Органы государственной власти РФ в области охраны окружающей среды. Нормирование в области охраны – нормативы качества, нормативы допустимого воздействия, государственные стандарты, лицензии и экологические сертификаты. Экологический мониторинг. Экологический контроль и экологическая экспертиза. Виды правовой экологической ответственности. 8.2. Международное сотрудничество в области окружающей среды. Объекты международно-правовой охраны. Международное экологическое сотрудничество. Деятельность ООН в области охраны окружающей среды. ность.

Международная юридическая экологическая ответствен-

8

СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ 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) – определенный участок суши, занятый биоценозом и представляющий собой единый комплекс. Биоценоз - совокупность популяций разных видов, обитающих на одной 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

9

гетеротрофных организмов, потребляющих готовые органические вещества для обеспечения процессов жизнедеятельности. Различают консументы первого порядка (растительноядные), второго порядка (плотоядные, некрофаги, паразиты) и третьего порядка (хищники). 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 (заповедники, биосферные заповедники, заказники, национальные парки, памятники природы). 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 Земли. 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. Пищевые цепи - система трофических уровней в экосистеме, по которым передается энергия. Первый трофический уровень занимают продуценты, последний - редуценты. 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

10

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 радикалов, разрушающих озоновый слой. Экологическая ниша - функциональная роль организма (популяции, вида) в экосистеме. Экологическая толерантность - способность живых организмов переносить колебания действия экологических факторов среды в тех или иных пределах. Экологический 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. Экологическое право - отрасль правоведения, занимающаяся регулиро-

11

ванием 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.). САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ЭКОЛОГИИ Вариант 1. 1. Сравните графически относительные пределы толерантности гелиофитов, сциофитов и факультативных гелиофитов. Какие организмы обладают наибольшей экологической валентностью? 2. Техногенные экологические катастрофы. Вариант 2. 1. 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. 2. Экологические международные судебные учреждения. Вариант 3. 1. Роль апвеллинга в экосистеме океана. Использование районов апвеллинга человеком. 2. Стихийные бедствия эндогенного характера. Вариант 4. 1. Покажите графически соотношение температурных оптимумов у гомойо- и пойкилотермных организмов при одинаковых границах их выживаемости и объясните их соотношение. 2. Государственный степной заповедник “Ростовский”. Вариант 5.

12

1. Сравните графически относительные пределы толерантности ксерофитов, мезофитов и гигрофитов. Какие организмы обладают наибольшей экологической валентностью? 2. Экологическая экспертиза в РФ. Вариант 6. 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. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП). Вариант 7. 1. Изобразите графически и объясните зависимости рождаемости и смертности от плотности клональной и панмиктической популяций, не учитывая факторы миграции и наличия естественных врагов. 2. Профессиональные заболевания, вызванные действием физических факторов. Вариант 8. 1. Популяция растет с r=0,5 в сутки. Во сколько раз ее численность увеличится за 0,5; 1 и 2 суток? 2. Общественные экологические организации России. Вариант 9. 1. 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? 2. Источники загрязнения атмосферы. Вариант 10. 1. Пожары как экологический фактор. 2. Водные ресурсы Ростовской области.

13

Вариант 11. 1. Определите величину r графически для экспоненциально растущей популяции, если каждые 2 суток происходит 10-кратное увеличение численности. 2. Всемирная стратегия охраны природы (ВСОП). Вариант 12. 1. Изобразите графически положения температурных оптимумов для пойкилотермных организмов холодных и теплых мест обитания при одинаковой их экологической валентности. 2. Экологические права граждан РФ. Вариант 13. 1. Лесные экосистемы, их роль в биосфере. 2. Участие России в международных конвенциях. Вариант 14. 1. Приведите примеры экологических факторов, максимальные или минимальные значения которых более благоприятны для организма, чем оптимальное значение. 2. Красная книга РФ. Вариант 15. 1. Болота. Болотная растительность. Виды заболачивания и типы болот 2. Защита окружающей среды от производственных и бытовых отходов. Вариант 16. 1. Роль грибов в биоценозе. 2. Деградация экосистемы Аральского моря. Вариант 17. 1. Составьте сравнительную таблицу основных отличий между пойкило- и гомойотермными организмами по изменению их теплопродукции и те-

14

плоотдачи при повышении и понижении температуры внешней окружающей среды. 2. Система экологического образования России. Вариант 18. 1. Агроэкосистемы, их отличие от природных экосистем. 2. Система экологического мониторинга России. Вариант 19. 1. Паразитизм. 2. Проблема утилизации и захоронения радиоактивных отходов и облученного ядерного топлива. Вариант 20. 1. Мангровые биоценозы. 2. Основные экологические нормативы в РФ. Вариант 21. 1. Урбоэкосистемы. 2. Экологические проблемы питания. Вариант 22. 1. Характеристика пресноводных экосистем. 2. Экологическая защита почв. Вариант 23. 1. Круговорот веществ в природе. 2. Биофизические методы в экологическом мониторинге. Вариант 24. 1. Какой биогеоценоз (первичный, сериальный, климаксный) обладает наибольшим видоразнообразием и каков тип стратегии у видов разных сообществ? 2. Стихийные бедствия экзогенного характера.

15

Вариант 25. 1. Изобразите графически пределы толерантности к температуре у водных и наземных организмов. 2. Атомная энергетика Ростовской области. Вариант 26 1. Одна популяция выросла за год вдвое, другая за 3 года - в 8 раз. Найдите коэффициенты мгновенного роста популяции. 2. Экологические преступления.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. - 576 с. 2. Розанов С.И. Общая экология. – СПб.: Лань, 2003. – 288 с. 3. Платонов А.П., Платонов В.А. Основы общей и инженерной экологии. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. – 352 с. 2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Вронский В.А. Прикладная экология. – Ростов-на-Дону: изд-во “Феникс”, 1996. – 512 с. 2. Одум Ю. Экология / Пер. с англ. Т.1-2. – М.:Мир, 1996. – 328 с. 376 с. 3. Ерофеев Б.В. Экологическое право России. – М.: Профессиональное образование, 2002. – 720 с. 4. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Словарь экологических терминов и понятий. – М.: Финансы и статистика, 1997. – 159 с. 5. Всероссийский экологический портал http://www.ecoportal.ru/books.php 6. Общественный экологический Internet-проект EcoLife http://ecolife.org.ua/education/student/lg/index.php

16