Понятие экологии: works.doklad.ru — Учебные материалы

Содержание

Понятие об экологии как науке и общенаучном подходе к решению проблем взаимодействия природы и общества

О.С. Шимова, Н.К. Соколовский
Основы экологии и экономика природопользования
Учебник. Мн.: БГЭУ, 2002. — 367 с.

Содержание статьи:

Глава 1. Предмет, методология и задачи курса «Основы экологии и экономика природопользования»

1.2. Понятие об экологии как науке и общенаучном подходе к решению проблем взаимодействия природы и общества

Проблемы функционирования экологической сферы (природопользования) исследуют многие отрасли знаний. Наиболее значительные теоретические и практические успехи достигнуты в ходе исследований, проводимых на стыке естественных и общественных наук.

Естественные науки (естествознание) – это совокупность отраслей знаний о природе, которые ставят целью раскрытие сущности явлений природы, познание общих законов ее развития, поиски путей использования полученных знаний в практической деятельности человека. Крупнейшими отраслями естествознания являются: физика, химия, биология, физическая география, геология, гидрология, почвоведение и др. Среди отраслей естествознания в исследовании процессов природопользования особое место занимает экология.

Экология как наука сформировалась в недрах биологии в середине XIX ст., после того как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле. Возникло понимание того, что не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые заслуживают специального изучения.

Термин «экология» был введен в науку известным немецким ученым-зоологом Э. Геккелем, который в своих трудах «Всеобщая морфология организмов» (1866) и «Естественная история миротворения» (1868) впервые попытался дать определение сущности новой науки. Слово «экология» образовано от двух греческих слов: oikos – дом, жилище, местопребывание и logos – слово, учение; в буквальном смысле экология – наука о местообитании.

Э. Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов с окружающей средой». По Э. Геккелю, экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов и призвана исследовать «все те замкнутые взаимоотношения, которые Ч. Дарвин условно обозначил как борьбу за существование». В процессе развития эта наука превратилась в биологическое учение, которое исследует живые организмы и их совокупности, взаимодействующие друг с другом и образующие с окружающей средой обитания некое единство, в пределах которого происходит преобразование энергии и органического вещества.

Современная экология в структурном отношении представляет сложную систему знаний, прежде всего она подразделяется на общую и частную (экология растений и экология животных). В задачи общей экологии входит исследование популяций, биоценозов и биосферы, а также экологических систем и биогеоценозов. Выделяются также научные направления, исследующие действие различных факторов окружающей среды на отдельные виды (аутэкология), взаимоотношения организмов, их различных совокупностей (демэкология, синэкология).

В последние десятилетия произошло расширение круга понятий экологии в связи с включением в сферу объектов ее изучения человека как биологического вида с его «природопокорительной» деятельностью и возникшей угрозой глобального экологического кризиса. Экологией стали называть весь комплекс взаимоотношений человека с окружающей природной средой. Обострение проблем окружающей среды привело к проникновению экологии в различные области науки и практики, то есть к экологизации знаний и хозяйственной деятельности. Это обусловило появление прикладных отраслей экологии: промышленной экологии, агроэкологии, социальной экологии (экологии человека), экологии города и т.п. Идеи и компетенция первоначально узкой и частной биологической дисциплины охватили широкий круг проблем окружающей среды.

Известный американский эколог Ю. Одум еще в 1963 г. назвал экологию наукой о строении и функциях природы в целом, а в его труде «Экология» (1986) она трактуется как «междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи».

Это очень широкое определение, но оно более других соответствует современному пониманию экологии.

В «Кратком экономическом словаре» (1987) экология определяется уже как «наука об общих закономерностях взаимодействия природы и общества; специальная сфера деятельности общества, направленная на охрану окружающей среды и целесообразное использование природных ресурсов». Таким образом, взгляд на экологию как на область только естествознания изменился, хотя никто, конечно, не отрицает права на существование классической «геккелевской» экологии — науки о местообитании живых организмов, которая по-прежнему изучается студентами-биологами и объединяет несколько самостоятельных дисциплин (аутоэкологию, демэкологию, синэкологию, общую экологию). Для студентов же экономического профиля интерес представляет экология в ее современном толковании как общенаучный подход к проблемам взаимодействия общества и природы. Именно в такой трактовке она является теоретической основой рационального природопользования и играет важную роль в разработке экологической стратегии государства, обеспечении устойчивого человеческого развития.

Определение экологии как науки

В буквальном переводе слово «экология» означает учение о «доме» (от греч. «ойкос» — местообитание, жилище, дом и «логос» —учение). Впервые этот термин и общее определение экологии было сделано немецким биологом Э. Геккелем в 1866 г. В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой,как органической, так и неорганической, и прежде всего —его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт». Как видно из определения, зоолог Э. Геккель рассматривал в качестве предмета экологии взаимоотношения животного с окружающей средой, что к настоящему времени существенно изменилось.[ …]

Следует заметить, что как научная дисциплина экология сформировалась лишь в начале XX в., а в качестве широкого научного направления стала рассматриваться лишь с середины 60-х годов нашего столетия. В это время для человека впервые стали ощутимы последствия его деятельности на Земле и, как оказалось, далеко не всегда положительные, когда даже в обиходе под словом экология стали понимать обширные сведения, характеризующие состояние окружающей природной среды и ее влияние на здоровье человека. Особенно ярко это проявляется сейчас на рубеже III тысячелетия, в условиях развивающегося кризиса во взаимоотношениях человека со средой его обитания. На данном этапе человек уже не рассматривается как биологический вид, как животное, что во многом соотносилось бы с определением экологии по Э. Геккелю, а как социотип, что заставляет рассматривать предмет экологии как науки более широко. Это значит, что за полтора столетия своего существования экология как наука ощутимо трансформировалась.[ …]

На настоящий момент при накопленном значительном экспериментальном и теоретическом материале экологию необходимо рассматривать как комплексное научное направление, которое обобщает, синтезирует данные естественных и социальных наук о природной среде и взаимодействии ее с человеком и человеческим обществом. Такое широкое толкование предмета экологии позволяет применять для научных обобщений широкие возможности и методологии научного поиска многих научных направлений, что весьма важно в современных условиях, но в то же время является источником околонаучного использования самой экологии. Мы имеем в виду появившиеся в последние годы различного рода рассуждения об «экологии культуры», «экологии языка» и т. п. Естественно разработанные в экологии методы исследований могут быть использованы и при изучении других предметов научных исследований, что кстати успешно применяет и сама экология, широко используя достижения химии, физики, геологии, климатологии, социологии и других естественных и общественных дисциплин. Тем не менее есть области человеческих отношений и человеческой деятельности, которые не имеют никакого отношения к предмету экологической науки, в частности, языкознание, что присуще только человеку, или культура — столь широкое общественное понятие, которое само по себе стоит выше и экологии, и многих других наук.

[ …]

В связи с этим можно рассматривать лишь использование методов экологии в других науках, т. е. говорить об экологическом подходе, общенаучном подходе к исследованию проблем взаимодействия организмов, биосистем, различных объектов природного и техногенного происхождения, элементов среды и собственно окружающей среды.[ …]

Современный мир, окружающий значительно выросшее в своей численности человечество, выявил множество проблем во взаимоотношениях природы и общества, что вполне отвечает рассмотрению этих проблем как экологических. Поэтому, в определенном смысле, экология рассматривается как метод изучения научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы.[ …]

Рассматривая экологию как биологическую науку, кратко остановимся на истории ее становления. Еще в античные времена философы и врачи Гиппократ, Аристотель, Гален пытались познать закономерности в живой природе. В их трудах были впервые описаны растения и животные в окружающем их мире, что послужило началом для ботаники и зоологии, а изучение человека заложило основы анатомии и физиологии.

Экологические аспекты здесь прослеживаются в описании поведения растений и животных в различных условиях Земли. Описание английским врачом XVI в. Уильямом Харви кровообращения имело не только физиологическое значение, но во многом заложило основы понимания принципов движения биогенов. В определенной степени знаменитый шведский биолог Карл Линней —создатель «Системы природы» и «Философии ботаники» является экологом, так как построил наиболее удачную классификацию растений и животных и при описании более чем 1500 видов растений систематизировал сведения об условиях жизни разных видов. Значительный вклад в биологию, а затем и в основы экологии заложил Жан Батист Ламарк, которым в начале XIX в. создана первая целостная картина эволюции живой природы. Надо отметить, что именно Ж.Б. Ламарк одновременно с немецким ученым Г.Р. Тревиранусом ввел термин «биология». Чрезвычайно важны для формирования экологических представлений о развитии человечества и природы работы Томаса Роберта Мальтуса, которым в начале XIX в.
описаны математические закономерности возрастания численности организмов одного вида и отставания от него пищевых ресурсов. Длительное время работы Т. Р. Мальтуса в нашей стране считались ненаучными и были отвергнуты, хотя известно, что Чарльз Роберт Дарвин, великий английский ествоиспытатель XIX века в создании всемирно известного труда «Происхождение видов путем естественного отбора» опирался именно на идеи Мальтуса. В этой работе Ч. Дарвин заложил основы «дарвинизма», который является одним из базисных положений экологии.[ …]

Общая экология, которая иногда именуется глобальной экологией, мегаэкологией, панэкологией, являет собой научное направление, рассматривающее определенную и необходимую для живого организма или фактора среды (в рассмотрении это так называемый центральный объект или объект изучения) совокупность природных и социальных явлений, предметов, организмов, оказывающих на них большое воздействие. Это достаточно громоздкое определение тем не менее позволяет в рамках общей экологии не ограничиваться интересами лишь живых организмов, но и анализировать «интересы» неживой составляющей среды, подвергающейся воздействию живого организма. Некоторые специалисты при трактовке предмета общей экологии считают, что им является изучение взаимоотношений и закономерностей на надорганизменном уровне организации, т. е. характерных как для прокариот, грибов и растений, так и для животных, в том числе и для человека как представителя царства животных. Несмотря на некоторые разночтения в подходе, общая экология являет собой науку о принципах взаимоотношений между «живым» и «неживым» на Земле.[ …]

Аутэкология (аутоэкология) представляет собой раздел экологии, который изучает особенности реагирования и взаимодействия видов живых организмов с факторами окружающей среды. В настоящее время из аутэкологии в качестве самостоятельной научной дисциплины выделилась популяционная экология, предметом научных исследований которой является популяция живых организмов, существующих в определенных условиях среды и под влиянием которых она развивается и видоизменяется.[ …]

Синэкология — это раздел экологической науки, который изучает закономерности развития и существования сообществ живых организмов (биоценозов) в конкретных изменяющихся условиях среды обитания. В последние годы активно развивается такая отрасль экологии, как биогеоценология. Активизация научных поисков в рамках этого направления связана с выявленными значительными влияниями био-геоценотических факторов на особенности развития человеческих сообществ.[ …]

Основоположником учения о биосфере по общему признанию является В.И. Вернадский. Сам термин «биосфера» появился еще в XIX в. и был предложен австрийским геологом Э. Зюссом, правда без глубокого развития его роли и значения.[ …]

Вернуться к оглавлению

Школа экологии человека «Формула здоровья» :: Krd.ru

18 февраля в профилированной библиотеке экологической культуры им. Н.К.Крупской состоялось открытие Школы экологии человека «Формула здоровья». Новый проект реализуется при поддержке администрации Западного внутригородского округа города Краснодара в рамках подготовки к предстоящему 75-летнему юбилею округа.

 

На мероприятии присутствовали: Сергей Лузан, заместитель главы Западного внутригородского округа города Краснодара; Эльвира Шишова, врач ГУЗ «Центра медицинской профилактики департамента здравоохранения Краснодарского края»; Ирина Бабкина, психолог из ГУЗ «Центра медицинской профилактики департамента здравоохранения Краснодарского края»; студенты Краснодарского технического колледжа – Екатерина Зинчук и Юлия Потешкина, обучающиеся по специальности «экология», а также учащиеся 7-го класса  гимназии № 33.

 

Об истории муниципальной библиотеки им. Н.К.Крупской, ее информационных ресурсах рассказала заведующая библиотекой – Татьяна Яшникова. Из ее выступления учащиеся узнали и о тех знаниях, которые они смогут получить, посещая занятия Школы.

 

Все мы, городские жители, каждодневно испытываем на себе последствия загрязнения окружающей среды. О том, какие экологические проблемы на сегодняшний день стоят перед администрацией нашего города и какие меры по их решению принимаются, рассказал заместитель главы Западного внутригородского округа Сергей Лузан.

 

 

Первое занятие Школы проходило под названием «Урок мира, добра и согласия между природой и человеком!»  Гармония между природой и человеком — заветная мечта многих поколений. Это то, к чему мы все должны стремиться. Но на сегодняшний день складывается не очень радужная картина. Люди причиняют огромным вред окружающему миру и самим себе.

 

Школьники с интересом прослушали сообщение студенток Краснодарского технического колледжа о пользе цинка для здоровья человека и негативном влиянии на организм генно-модифицированных продуктов.

 

Здоровье — ключевое понятие экологии человека. Здоровье зависит от наследственности, образа жизни и состояния окружающей среды. Об основных источниках загрязнения нашего организма и о том, как мы можем уменьшить степень негативного влияния ребята узнали из слайд-лекции врача Эльвиры Шишовой.

 

Здоровье человека складывается не только из физического, но и  психического благополучия. Психолог Ирина Бабкина в игровой форме объяснила ребятам, какие четыре вида темперамента бывают у человека.

 

Ребята определили свой тип темперамента и узнали свои особенности. Также Ирина Викторовна провела проективную методику, направленную на определение уровня самооценки ребят.

 

В конце мероприятия, был показан веселый мультфильм, который еще раз призвал всех к  позитивному отношению к жизни. На следующем экоуроке ребята узнают, как сделать свой дом экологически чистым, а свою жизнь более безопасной.

 

Экология в ваших руках

Что первое приходит в голову рядовому обывателю, когда заходит речь об экологии? Дымящие трубы заводов или дохлая рыба в мутной реке? Нефть, разлитая в океане, или свалка радиоактивных отходов?

Популярность модного слова сильно размыла само понятие Экология. На самом деле это наука об отношениях живых существ между собой и с окружающей средой. (Википедия) Что значит для человека окружающая среда? Это воздух, которым он дышит, это вода, которую он пьёт, пища, которую он ест, и живые существа, которые окружают человека.

Что первое приходит в голову рядовому обывателю, когда заходит речь об экологии? Дымящие трубы заводов или дохлая рыба в мутной реке? Нефть, разлитая в океане, или свалка радиоактивных отходов?

Популярность модного слова сильно размыла само понятие Экология. На самом деле это наука об отношениях живых существ между собой и с окружающей средой. (Википедия) Что значит для человека окружающая среда? Это воздух, которым он дышит, это вода, которую он пьёт, пища, которую он ест, и живые существа, которые окружают человека.

Все средства массовой информации трубят о загрязнении атмосферы, низком качестве потребляемой человеком воды и продуктах питания, полных азотистых удобрений или вообще генетически модифицированных. Такая информация об экологии далеко не обнадёживает среднестатистического жителя планеты Земля. Ведь причинами многих серьёзных заболеваний человека является именно негативное влияние факторов окружающей среды. Отдельно взятая личность вряд ли в состоянии остановить деятельность химической промышленности или добычу нефти, однако каждый из нас может улучшить условия существования своей семьи, близких людей или коллектива. Если от смога мегаполиса избавиться довольно проблематично, то очистить воздух в любом помещении не составляет особого труда. Точно так же все мы в силах обеспечить себя чистой водой, используя современные методы очистки и тем самым улучшить те условия окружающей среды, на которые мы можем повлиять.

Ставя в приоритет здоровье, каждый человек может улучшить экологию своей семьи и свести к минимуму негативное влияние окружающей среды. Важно, чтобы задуматься над этим вопросом вас побудили не возникшие проблемы со здоровьем, а здравый смысл, любовь и забота о близких людях.

Экология: основные термины и понятия

Экология (от греч. «ойкос» — жилище, «логос» — наука) — наука о закономерностях взаимоотношений организмов, видов, сообществ со средой обитания.
Внешняя среда — все условия живой и неживой природы, при которых существует организм и которые прямо или косвенно влияют на состояние, развитие и размножение как отдельных организмов, так и популяций.
Экологические факторы (от лат. «фактор» — причина, условие) — отдельные элементы среды, взаимодействующие с организмом.
Абиотические факторы (от греч. «а» — отрицание, «биос» — жизнь) — элементы неживой природы: климатические (температура, влажность, свет), почвенные, орографические (рельеф).
Биотические факторы — живые организмы, взаимодействующие и влияющие друг на друга.
Антропогенный фактор {от греч. «антропос» — человек) — непосредственное воздействие человека на организмы или воздействия через изменение им среды обитания.
Оптимальный фактор — наиболее благоприятная для организма интенсивность экологического фактора (света, температуры, воздуха, влажности, почвы и т. д.).
Ограничивающий фактор — фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма (за пределы допускаемого максимума или минимума): влага, свет, температура, пища и т. д.
Предел выносливости — граница, за пределами которой существование организма невозможно (ледяная пустыня, горячий источник, верхние слои атмосферы). Для всех организмов и для каждого вида существуют свои границы по каждому экологическому фактору отдельно.
Экологическая пластичность-степень выносливости организмов или их сообществ (биоценозов) к воздействию факторов среды.
Климатические факторы — абиотические факторы среды, связанные с поступлением солнечной энергии, направлением ветров, соотношением влажности и температуры.
Фотопериодизм (от греч. «фотос» — свет) — потребность организмов в периодической смене определенной продолжительности дня и ночи.
Сезонный ритм — регулируемая фотопериодизмом реакция организмов на изменение времени года (при наступлении осеннего короткого дня опадают листья с деревьев, готовятся к перезимовке животные; при наступлении весеннего длинного дня начинается возобновление растений и восстановление жизненной активности животных).
Биологические часы — реакция организмов на чередование в течение суток периода света и темноты определенной длительности (покой и активность у животных, суточные ритмы движения цветков и листьев у растений, ритмичность деления клеток, процесса фотосинтеза и т. д.).
Зимняя спячка — приспособление животных к перенесению зимнего времени года (зимний сон).
Анабиоз (от греч. «анабиозис»-оживление)-временное со- стояние организма, при котором жизненные процессы замедлены до минимума и отсутствуют все видимые признаки жизни (наблюдается у холоднокровных животных зимой и в жаркий период лета).
Зимний покой — приспособительное свойство многолетнего растения, для которого характерно прекращение видимого роста и жизнедеятельности, отмирание надземных побегов у травянистых жизненных форм и опадение листьев у древесных и кустарниковых форм.
Морозостойкость — способность организмов выносить низкие отрицательные температуры.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Экологическая система — сообщество живых организмов и среды их обитания, составляющее единое целое на основе пищевых связей и способов получения энергии.
Биогеоценоз (от греч. «биос» — жизнь, «гео» — земля, «це-ноз» — общий) — устойчивая саморегулирующаяся экологическая система, в которой органические компоненты неразрывно связаны с неорганическими.
Биоценоз — сообщество растений и животных, населяющих одну территорию, взаимно связанных в цепи питания и влияющих друг на друга.
Популяция (от франц. «популяцион» — население) — совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.
Агроценоз (от греч. «агрос» — поле, «ценоз»-общий) -искусственно созданный человеком биоценоз. Он не способен длительно существовать без вмешательства человека, не обладает саморегуляцией и в то же время характеризуется высокой продуктивностью (урожайностью) одного или нескольких видов (сортов) растений либо пород животных.
Продуценты (от лат. «продуцентис»-производящий)-зеленые растения, производители органического вещества.
Консументы (от лат. «консумо»-употреблять, расходовать) — растительноядные и плотоядные животные, потребители органического вещества.
Редуценты (от лат. «редуцере» — уменьшение, упрощение строения)-микроорганизмы, грибы-разрушители органических остатков
Цепи питания- цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих органическое вещество и энергию из исходного пищевого вещества; каждое предыдущее звено является пищей для следующего.
Пищевой уровень — одно звено в цепи питания, представленное продуцентами, консументами или редуцентами.
Сети питания-сложные взаимоотношения в экологической системе, при которых разные компоненты потребляют разные объекты и сами служат пищей различным членам экосистемы.
Правило экологической пирамиды — закономерность, согласно которой количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем масса растительноядных животных, и каждый последующий пищевой уровень также имеет массу, в 10 раз меньшую.
Саморегуляция в биогеоценозе-способность к восстановлению внутреннего равновесия после какого-либо природного или антропогенного влияния.
Колебание численности популяции — сменяющее друг друга увеличение или уменьшение числа особей в популяции, которое происходит в связи с изменением сезона, колебаниями климатических условий, урожая кормов, стихийными бедствиями. Благодаря регулярному повторению колебание численности популяции называют также волнами жизни или популяционными волнами.
Регулирование численности популяции — организация мероприятий по регулированию числа особей путем их истребления или разведения.
Исчезающая популяция — популяция, численность видов которой снизилась до принятого минимума.
Промысловая популяция — популяция, добыча особей которой экономически оправдана и не приводит к подрыву ее ресурсов.
Перенаселенность популяции — временное состояние популяции, при котором количество особей превышает величину, соответствующую условиям нормального существования. Чаще всего связано со сменой биогеоценоза.
Плотность жизни — количество особей на единицу площади или объема тон или иной среды.
Саморегуляция численности — ограничивающее действие экологической системы, снижающее численность особей до средней нормы.
Смена биогеоценозов — преемственное естественное развитие экологической системы, при котором одни биоценозы сменяются другими под влиянием природных факторов среды: на месте лесов образуются болота, на месте болот-луга. Смена биогеоценозов может быть вызвана также стихийными бедствиями (пожар, паводок, ветровал, массовое размножение вредителей) или влиянием человека (вырубка леса, осушение или орошение земель, земляные работы).
Восстановление биоценоза — естественнее развитие устойчивой экологической системы, способной к самовосстановлению, которое проходит в несколько этапов на протяжении десятков лет (после вырубки или пожара еловый лес восстанавливается более чем через 100 лет)-
Восстановление биоценоза искусственное — комплекс мероприятий, обеспечивающих возобновление прежнего биоценоза путем посева семян, посадки саженцев деревьев, возвращения исчезнувших животных.
Фитоценоз (от греч. «фитон»-растение, «ценоз»-общий) растительное сообщество, исторически сложившееся в результате сочетания взаимодействующих растений на однородном участке территории. Его характеризуют определенный видовой состав, жизненные формы, ярусность (надземная и подземная), обилие (частота встречаемости видов), размещение, аспект (внешний вид), жизненность, сезонные изменения, развитие (смена сообществ) :

Понятие экология.

Предмет и объект экологии. Взаимосвязь с другими науками. Современная экология и ее структура. Задачи экологии. История развития. Объект изучения экологии взаимодействие живых систем

Экологическая система

контрольная работа

Экология — наука, изучающая взаимодействие между организмами и окружающей их живой (биотической) и неживой (абиотической) средой.

Экология — это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых её проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учётом изменений, вносимых в среду деятельностью человека. Конечной целью экологических исследований является выяснение путей, с помощью которых вид сохраняется в постоянно меняющихся условиях среды. Процветание вида заключается в поддержании оптимальной численности его популяций в биогеоценозе. Основным содержанием современной экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики.

Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы) и их динамика во времени и пространстве.

Основные задачи могут быть сведены к изучению динамики популяций, к учению о биогеоценозах и их системах. Главная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть законы этих процессов и научиться управлять ими в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты.

Главная цель экологии: изучить, как работает экосфера. Объекты изучения: 5 уровней организованной материи:

Живые организмы;

Популяция;

Сообщества;

Экосистемы;

Экосфера.

Живой организм — это любая форма жизнедеятельности. Существует от 3-х до 20-ти категорий живых организмов. Обычно подразделяют все организмы на:

Растения;

Животных;

Деструкторов-редуцентов.

Популяция — это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Вид — это совокупность популяций, представители которых фактически или потенциально дают полноценное потомство в естественных условиях.

Сообщество. Каждый организм или популяция имеет свое место обитания. Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют друг с другом, они создают так называемое экологическое сообщество.

Экосистема — это взаимосвязь сообществ с химическими и физическими факторами, создающими неживую (абиотическую) среду. К физическим факторам относятся:

Солнечный свет,

Испарение,

Температура

Водные течения.

Химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста и размножения организмов.

Все экосистемы Земли составляют экосферу.

Антропогенная трансформация ландшафтов при промышленной добыче углеводородного сырья

Антропогенное воздействие в районах нефтепромыслов имеет интегральный характер. Антропогенные комплексы, порожденные различного типа трансформирующими нарушениями и загрязнениями. ..

Влияние экологии на акселерацию

Защита экосистемы

охрана техногенный экосистема демографический Категории и виды особо охраняемых природных территорий. Важную роль в сохранении биологического разнообразия играет сеть особо охраняемых природных территорий (ООПТ)…

Методика определения воздействия на окружающую среду винного завода

Технический паспорт предприятия. — Технические условия на размещение и утилизация отходов за №168 от 18.03.10 года. — Регистрационное свидетельство №2 от 18 февраля 2004 г…

Самоочищение водоемов обусловливается рядом факторов. Условно их можно разделить на физические, химические и биологические. Физические факторы…

Некоторые вопросы по экологии

Законодательная система каждого государства по своему отличается друг от друга и в этом отношении Россия не составляет исключения. Важной задачей является наиболее полное правовое обеспечение на федеральном уровне охраны дикой природы. ..

Особо охраняемые природные территории

Кузбасский ботанический сад — один из самых молодых ботанических садов в России. Организован в 1991 году в системе Кемеровского научного центра Сибирского отделения РАН…

Понятия современной экологии

Поллютанты — техногенные загрязнители среды обитания живых существ: воздуха (аэрополлютанты), воды (гидрополлютанты), земли (терраполлютанты). Различают промышленные поллютанты (напр., выбросы газов СО, S02, Nh4)…

Связь экологии человека и его здоровья

В истории органического мира Земли совершенство и многообразие достигнуты ценой вымирания сотен миллионов видов, и процесс этот продолжается и теперь. Эволюция живых существ на нашей планете шла в направлении прогрессивного развития…

Сохранение заповедных зон Украины

Рассмотрим некоторые факты: Заповедники «Западное Полесье» (Польша) и «Шацкий» (Украина), имеющие общую границу, пополнили Всемирную сеть биосферных заповедников ЮНЕСКО. ..

Экологические и этнографические исследования озера Дальнего

1879 — 1883 гг. — изучение озера Дальнего Б. Дыбовским. 1908 — 1909 гг. — работа комплексной экспедиции Русского географического общества по изучению Камчатки, в том числе озера Дальнего. 1932 г….

Экологические пирамиды

Эколого-правовая ответственность является разновидностью общеюридической ответственности, но в то же время отличается от иных видов юридической ответственности…

Экология города Камышлова

В почвенном покрове преобладают, в основном, разновидности серых лесных почв, черноземы выщелоченные, луговые. Почва территории города Камышлова оценивается по категории «допустимая» (см. приложение №8)…

Экология и экологический мониторинг

Экология — это наука, изучающая закономерности взаимодействия организмов и среды их обитания, законы развития и существования биогеоценозов как комплексов в различных участках биосферы…

Экология (от греч. «ойкос » — дом, жилище и «логос » — учение) — наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с дру­гими естественными науками — химией, физикой, геологи­ей, географией, почвоведением, математикой.

Предметом экологии является совокупность или струк­тура связей между организмами и средой.

Главный объект изучения в экологии — экосистемы , т. е. единые природ­ные комплексы, образованные живыми организмами и сре­дой обитания. Кроме того, она изучает отдельные виды организмов (организменный уро­вень), их популяции, т. е. совокупность особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (био­сферный уровень).

Различают два вида экологии – общую и прикладную.

Общая экология – изучает об­щие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды обитания (включая человека как биологическое суще­ство).

В составе общей экологии выделяют следующие основ­ные разделы:

­ Аутэкология (от греч. autos — сам) — раздел экологии, в задачу которого входит установление пределов существования особи (орга­низма) и тех пределов физико-химических факторов, в диапазоне ко­торых организм может существовать. Изучение реакций организма на воздействия факторов среды позволяет выявить не только пре­делы, в которых он может существовать, но и физиологические и морфологические изменения, характерные для данных особей. Поэтому аутэкология изучает взаимоотношения организма с внешней средой, в основе которых лежат его морфофизиологические реакции на воздействия среды. С изучения этих реакций начинается любое экологическое исследование. Причем основное внимание уде­ляется биохимическим реакциям, интенсивности газового и водного обмена, а также другим физиологическим процессам, которые опре­деляют состояние организма. При проведении исследований используются сравнительно-экологи­ческий и эколого-географический методы, сопоставляются состояние и реакция организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (сезонная и суточная активность). Большое место в аутэкологических исследованиях занимает изучение влияния на организм естес­твенной и искусственной радиоактивности, техногенного загрязнения.

­ аутэкологию , исследующую индивидуальные связи отдель­ного организма (вида, особи) с окружающей его средой;

­ популяционную экологию (демоэкологию) , в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдель­ных видов, взаимоотношения между организмами одного вида в пределах популяции и средой обитания. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;

­ синэкологию (биоценологию) — учение об экосистемах (биогеоценозах), изучающую взаимоотноше­ние популяций, сообществ и экосистем со средой.

­ !!глобальная экология — учение о роли живых организмов (живого вещества) и продуктов их жизнедеятельности в создании земной оболочки (атмосферы, гидросферы, литосферы) ее функционирования.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойст­ва — изучить закономерности адаптации организмов и их со­обществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т. д.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т.е. различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.

В последнее время роль и значение биосферы как объек­та экологического анализа непрерывно возрастает. Особен­но большое значение в современной экологии уделяется про­блемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Выдвижение на первый план этих разделов в эколо­гической науке связано с резким усилением взаимного отри­цательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.

Таким образом, современная экология не ограничивает­ся только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она пре­вращается в междисциплинарную науку, изучающую слож­нейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вы­званной обострением экологической обстановки в масшта­бах всей планеты, привела к «экологизации» многих естест­венных, технических и гуманитарных наук.

Например, на стыке экологии с другими отраслями зна­ний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т. д.

Экологическими проблемами Земли как планеты зани­мается интенсивно развивающаяся глобальная экология , ос­новным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и та­кие специальные дисциплины, как социальная экология, изу­чающая взаимоотношения в системе «человеческое общест­во — природа», и ее часть — экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

Современная экология тесно связана с политикой, эко­номикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, так как только в союзе с ними возмож­но преодолеть технократическую парадигму мышления, свой­ственную XX в., и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.

С научно-практической точки зрения вполне обоснована деление экологии на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология вскрывает общие закономерно­сти организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процес­са и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Исходя из приведенных выше понятий и направлений сле­дует, что задачи экологии весьма многообразны.

В общетеоретическом плане к ним относятся:

­ разработка общей теории устойчивости экологических сис­тем;

­ изучение экологических механизмов адаптации к среде;

­ исследование регуляции численности популяций;

­ изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

­ исследование продукционных процессов;

­ исследование процессов, протекающих в биосфере, с це­лью поддержания ее устойчивости;

­ моделирование состояния экосистем и глобальных био­сферных процессов.

Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие:

­ прогнозирование и оценка возможных отрицательных по­следствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;

­ улучшение качества окружающей природной среды;

­ сохранение, воспроизводство и рациональное использова­ние природных ресурсов;

­ оптимизация инженерных, экономических, организацион­но-правовых, социальных и иных решений для обеспече­ния экологически безопасного устойчивого развития, в пер­вую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе ново­го взгляда, рассматривающего человеческое общество как не­отъемлемую часть биосферы.

Задачи экологии:

­ изучение механизмов адаптации живых организмов к условиям среды;

­ доработка научной основы рационального использования природных ресурсов и сохранение нормальной среды обитания;

­ регуляция численности населения;

­ разработка систем и мероприятий, обеспечивающих минимальное использова­ние химических средств в сельском хозяйстве;

­ экологическая индикация для изучения систем загрязнения;

­ разработка экологического мониторинга — системы повторных целенаправленных исследований параметров окружающей среды;

Задачи экологии применительно к проектно–конструкторской и инженерной деятельности:

­ оптимизация инженерных решений на стадии проектирования с точки зрения наименьшего вреда;

­ прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий новых инженерных решений;

­ своевременное выявление и корректировка технологических процессов нанося­щих ущерб окружающей среде.

Развитие организма как живой целостной системы

Организм — любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, при­сущих только живой материи: клеточная организация; обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обес­печивающий гомеостаз организма — самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым ор­ганизмам присущи движение, раздражимость, рост, развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования — адаптация .

Взаимодействуя с абиотической средой, организм высту­пает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации (левая часть «спек­тра», рис. 1.1). Все эти части организма (гены, клетки, кле­точные ткани, целые органы и их системы) являются компо­нентами и системами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за со­бой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естествен­ного отбора, те или иные органы получают приоритетное раз­витие. Например, мощная корневая система у растений за­сушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редук­ции глаз у ночных животных, существующих в темноте (крот).

Живые организмы обладают обменом веществ, или ме­таболизмом, при этом происходит множество химических ре­акций. Примером таких реакций могут служить дыхание, ко­торое еще Лавуазье и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зелеными расте­ниями связывается солнечная энергия, а результаты дальней­ших процессов метаболизма используются всем растением, и др.

Как известно, в процессе фотосинтеза кроме солнечной энергии используется двуокись углерода и вода. Суммарно химическое уравнение фотосинтеза выглядит так:

Практически вся двуокись углерода (С0 2) поступает из ат­мосферы и днем ее движение направлено вниз, к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется кислород. Дыха­ние — процесс обратный, и движение СО 2 ночью направлено вверх и идет поглощение кислорода.

Некоторые микроорганизмы, бактерии, способны создавать органические соединения и за счет других компонентов, напри­мер за счет соединений серы. Такие процессы называются хе­мосинтезом .

Обмен веществ в организме происходит только при уча­стии особых макромолекулярных белковых веществ — фермен­тов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимиче­ская реакция в процессе жизни организма контролируется осо­бым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приво­дит к изменению биохимической реакции вследствие измене­ния фермента, а в случае нехватки последнего и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Однако не только ферменты регулируют процессы метабо­лизма. Им помогают коферменты — это крупные молекулы, частью которых являются витамины -вещества, необходимые для обмена веществ всех организмов — бактерий, зеленых рас­тений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням: нарушается обмен веществ.

Наконец, для ряда метаболических процессов необходи­мы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных местах (органах) ор­ганизма и доставляются в другие места кровью или посред­ством диффузии. Гормоны осуществляют в любом организ­ме общую химическую координацию метаболизма и помога­ют в этом деле, например, нервной системе животных и че­ловека.

На молекулярно-генетическом уровне особенно чувстви­тельно воздействие загрязняющих веществ, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Они вызывают нарушение гене­тических систем, структуры клеток и подавляют действие фер­ментных систем. Все это приводит к болезням человека, жи­вотных и растений, угнетению и даже уничтожению видов, живых организмов.

Метаболические процессы протекают с различной интен­сивностью на протяжении всей жизни организма, всего пути его индивидуального развития. Этот его путь от зарождения и до конца жизни называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпе­ваемых организмом за весь период жизни.

Онтогенез включает рост организма, т. е. увеличение мас­сы и размеров тела, и дифференциацию, т. е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводя­щее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтоге­нез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы). При бес­полом размножении — с образованием нового организма пу­тем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, лукови­цы и т. п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий раз­вития. Для организмов, размножающихся половым путем, раз­личают зародышевую (эмбриональную), послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организ­ма. Зародышевой период заканчивается выходом зародыша из яйцовых оболочек, а у живородящих — рождением. Важ­ное экологическое значение для животных имеет первоначаль­ный этап послезародышевого развития — протекающий по ти­пу прямого развития или по типу метаморфоза. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цып­ленок — курица и т. д.), во втором — развитие происходит вначале в виде личинки, которая существует и питается само­стоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (го­ловастик — лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие тем­пературы, засуху и т. д.)

В онтогенезе растений различают рост, развитие (форми­руется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенно­стью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафит) и полового (гема-тофит)поколений.

Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уров­не, т. е. на уровне индивида (особи), — это необходимое и весь­ма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии дей­ствием химического, светового и теплового загрязнения среды и привести к появлению уродов или даже привести к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического разви­тия — филогенеза. Не случайно этот термин ввел Э. Геккель в 1866 г., так как для целей экологии необходима реконструк­ция эволюционных преобразований животных, растений и мик­роорганизмов. Этим занимается наука — филогенетика, кото­рая базируется на данных трех наук — морфологии, эмбриоло­гии и палеонтологии.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволю-ционном плане и индивидуальным развитием организма сфор­мулирована Э. Геккелем в виде биогенетического закона: он­тогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, вначале в утробе матери (у млекопитающих и др.), а затем, появившись на свет, индивид в своем развитии повторяет в сокращенном виде исто­рическое развитие своего вида.

Системы организмов и биота Земли

В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн видов организмов. Систематика их все более усложняется, хо­тя основной ее скелет остается почти неизменным со времени ее создания выдающимся шведским ученым Карлом Линнеем в середине XVII в.

Таблица 1.1

Высшие таксоны систематики империи клеточных организмов

Оказалось, что на Земле существуют две большие группы организмов, различия между которыми намного более глубо­ки, чем между высшими растениями и высшими животными, и, следовательно, по праву среди клеточных были выделены два надцарства: прокариотов — низкоорганизованных доядерных и эукаритов — высокоорганизованных ядерных. Прока­риоты (Ргосагуо1а) представлены царством так называемых дро­бянок, к которым относятся бактерии и синезеленые водорос­ли, в клетках которых нет ядра и ДНК в них не отделяется от цитоплазмы никакой мембраной. Эукариоуы (Еисагуо1а) пред­ставлены тремя царствами: животных, грибов и растений, клетки которых содержат ядро и ДНК отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, поскольку находится в самом ядре. Гри­бы выделены в отдельное царство, так как оказалось, что они не только не относятся к растениям, но имеют, вероятно, происхождение от амебоидных двужгутиковых простейших, т.е. имеют более тесную связь с животным миром.

Однако такое деление живых организмов на четыре царст­ва еще не легло в основу справочной и учебной литературы, поэтому при дальнейшем изложении материала мы придер­живаемся традиционных классификаций, но которым бактерии, синезеленые водоросли и грибы являются отделами низших растений.

Всю совокупность растительных организмов данной тер­ритории планеты любой детальности (региона, района и т.д.) называют флорой, а совокупность животных организмов — фауной.

Флора и фауна данной территории в совокупности состав­ляют биоту. Но эти термины имеют и гораздо более широкое применение. Например, говорят: флора цветковых растений, флора микроорганизмов (микрофлора), микрофлора почв и т. п. Аналогично используется термин «фауна»: фауна млекопитаю­щих, фауна птиц (орнитофауна), микрофауна и т. п. Термин «биота» используют, когда хотят оценить взаимодействие всех живых организмов и среды или, скажем, влияние «почвенной биоты» на процессы почвообразования и др. Ниже приводится общая характеристика фауны и флоры в соответствии с класси­фикацией (табл. 1.1).

Прокариоты являются древнейшими организмами в ис­тории Земли, следы их жизнедеятельности выявлены в отло­жениях протерозоя, образовавшихся около миллиарда лет на­зад. В настоящее время их известно около 5000 видов.

Самыми распространенными среди дробянок являются бактериин в настоящее время это самые распространенные в биосфере микроорганизмы. Их размеры составляют от деся­тых долей до двух-трех микрометров.

Бактерии распространены повсеместно, но больше всего их в почвах — сотни миллионов на один грамм почвы, а в черноземах — более двух миллиардов.

Микрофлора почв весьма разнообразна. Здесь бактерии вы­полняют различные функции и подразделяются на следую­щие физиологические группы: бактерии гниения, нитрофи-цирующие, азотофиксирующие, серобактерии и др. Среди них есть аэробные и анаэробные формы.

В результате эрозии почв бактерии попадают в водоемы. В прибрежной части их до 300 тыс. в 1 мл, с удалением от берега и с глубиной их количество снижается до 100-200 осо­бей на 1 мл.

В атмосфере воздуха бактерий значительно меньше.

Широко распространены бактерии в литосфере ниже поч­венного горизонта. Под почвенным слоем их всего на поря­док меньше, чем в почве. Бактерии распространяются на сот­ни метров в глубину земной коры и даже встречаются на глу­бине двух и более тысяч метров.

Синезеленые водоросли сходны по строению с бактери­альными клетками, являются фотосинтезирующими автотро­фами. Обитают преимущественно в поверхностном слое пре­сноводных водоемов, хотя есть и в морях. Продуктом их ме­таболизма являются азотистые соединения, способствующие развитию других планктонных водорослей, что при опреде­ленных условиях может привести к «цветению» воды и к ее загрязнению, в том числе и в водопроводных системах.

Эукариоты — это все остальные организмы Земли. Са­мые распространенные среди них — растения, которых около 300 тыс. видов.

Растения — это практически единственные организмы, которые создают органическое вещество за счет физических (неживых) ресурсов — солнечной инсоляции и химических эле­ментов, извлекаемых из почв (комплекс биогенных элемен­тов). Все остальные питаются уже готовой органической пи­щей. Поэтому растения как бы создают, продуцируют пищу для всего остального животного мира, т. е. являются проду­центами.

Все одноклеточные и многоклеточные формы растений имеют, как правило, автотрофное питание за счет процессовфотосинтеза.

Водоросли — это большая группа растений, живущих в во­де, где они могут либо свободно плавать, либо прикрепляться к субстрату. Водоросли — это первые на Земле фотосинтези-рующие организмы, которым мы обязаны появлением кисло­рода в ее атмосфере. Кроме того, они способны усваивать азот, серу, фосфор, калий и другие компоненты непосредственно из воды, а не из почвы.

Остальные, более организованные растения — обитате­ли суши. Они получают питательные элементы из почвы по­средством корневой системы, которые транспортируются че­рез стебель в листья, где берут начало процессы фотосинте­за. Лишайники, мхи, папоротникообразные и цветковые ра­стения являются одним из важнейших эементов географи­ческого ландшафта, доминируют здесь цветковые, которых более 250 тыс. видов. Растительность суши — главный ге­нератор кислорода в атмосферу и ее бездумное уничтожение не только оставит животных и человека без пищи, но и без кислорода.

Низшие почвенные грибы играют основную роль в про­цессах почвообразования.

Животные представлены большим разнообразием форм и размеров, их более 1,7 млн видов. Все царство животных — это гетеротрофные организмы, консументы.

Наибольшее количество видов и наибольшая численность особей у членистоногих. Насекомых, например, столько, что на каждого человека их приходится более 200 млн особей. На втором месте по количеству видов стоит класс моллюсков, но их численность значительно меньше, чем насекомых. На третьем месте по числу видов выступают позвоночные, среди которых млекопитающие занимают примерно десятую часть, а половина всех видов приходится на рыб.

Значит, большая часть видов позвоночных формировалась в водных условиях, а насекомые — это сугубо животные су­ши.

Насекомые развивались на суше в тесной связи с цветко­выми растениями, являясь их опылителями. Эти растения поя­вились позже других видов, но более половины видов всех растений приходится на цветковые. Видообразование в этих двух классах организмов находилось и находится сейчас в тес­ной взаимосвязи.

Если сравнить количество видов сухопутных организмов и водных, то это соотношение будет примерно одинаково и для растений, и для животных: количество видов на суше — 92-93 %, в воде — 7-8 %, значит, выход организмов на сушу дал мощный толчок эволюционному процессу в направлении увеличения видового разнообразия, что ведет к повышению устойчивости природных сообществ организмов и экосистем в целом.

ПОНЯТИЕ ОБ ЭКОСИСТЕМЕ

Концепция функционирования экосистемы

Термин «экосистема » введен английским ботаником А. Тенсли в 1935 году, хотя мысль о взаимосвязи и единстве организмов и среды их обитания высказывалась еще древ­ними учеными. Лишь в конце прошлого века стали появляться публи­кации, включающие понятия, идентичные термину «экосистема», при­чем практически одновременно в американской, западноевропейской и русской научной литературе. Так, немецкий ученый К. Мёбиус в 1877 г. ввел термин «биоценоз», через 10 лет американский биолог С. Форбс опубликовал свой классический труд об озере как водной экосистеме. В 1846-1903 гг. основоположник почвоведения в России В.В. Докучаев отмечал в своих трудах единство живых организмов с материнской породой при образовании почв. Примерно на рубеже XIX-XX вв. появилось серьезное отношение к идее о том, что приро­да функционирует как целостная система независимо от того, о какой среде идет речь — пресноводной, морской или наземной. Но только спустя полвека была разработана общая теория систем, началось развитие нового, количественного направления экологии экосистем. Основоположниками этого направления были Ф. Хатчинсон, Р. Маргалеф, К. Уатт, П. Пэттен, Ван Дайн, Г. Одум.

Экосистема — основная функциональная единица в экологии. Она включает в себя все организмы (биотическое сообщество), сов­местно функционирующие на конкретной территории, которые взаи­модействуют с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот ве­ществ между живой и неживой частями.

Предмет, цель и задачи экологии

Что такое экология? Термин «экология» возник сравнительно недавно, но свой вклад в эту науку внесли еще ученые древности — Аристотель, Гиппократ, Эпикур и др. Известен, например, постулат Эпикура, в котором говорится: «…нельзя насиловать природу, следует повиноваться ей, необходимые желания исполняя, а также естественные, если они не вредят. А вредные — сурово подавляя ». (Интересно сравнить с известным у нас — через два тысячелетия — тезисом: «Нам нельзя ждать милостей от природы! Взять их у нее — наша задача»).

Понятие экология ввел в 1866 году немецкий зоолог Эрнст Геккель. Слово «экология » образовано из двух греческих слов: («ойкос » — дом, жилище, убежище и «логос » — учение), т. е. наука о доме, обители человека, но в особом применении этих слов.

Геккель определил экологию как общую науку о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой, в которую входят все условия их существования. В дальнейшем это определение значительно расширилось.

Сегодня слово «экология» для многих означает «общность человека и окружающей среды». В современном понимании экология это наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой (ОС). Под окружающей средой понимается практически вся Вселенная. Очень часто термин ОС заменяют словом «природа».

Под живыми организмами понимается не только человек, но и все остальные живые представители природы: животные, растения, простейшие организмы.

Экология приобрела практический интерес еще на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый индивидуум для того, чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об окружающей его среде, о силах природы, растениях и животных. Можно утверждать, что цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволяющие ему изменять среду обитания. Для современной экологии чрезвычайно важен вопрос о закономерностях изменений этих организмов и их сообществ под воздействием самой природы и человека.

Предметом (объектом) исследования экологии являются биологические экосистемы (популяции, биоценозы), размещенные выше уровня организмов и их динамика во времени и пространстве.

Природные условия жизни организмов — климат и природные ресурсы, определяют структуру, количественный и качественный состав биологических сообществ. Эта структура значительно богаче на берегу и в толще воды теплого южного моря, чем на берегу холодного северного моря или в безводной пустыне. К природным ресурсам относятся земля, вода, растения, животные, полезные ископаемые и другое, что составляет основу жизни и саму жизнь.

Взаимоотношения живых организмов и их сообществ между собой и со средой обитания. Человек бесцеремонно стал входить в любую среду обитания: он вырубает леса, распахивает землю, возводит плотины на реках, строит заводы. Подобная его деятельность резко изменяет природные условия жизни других обитателей планеты и загрязняет окружающую среду. Это пагубно влияет на все живые организмы, в том числе и на самого человека.

Основной целью изучения дисциплины «Экология и охрана окружающей среды» (ЭКОС) является познание закономерностей взаимодействия общества с окружающих естественной средой для обеспечения конструктивного природопользования; формирования умений и навыков экологической ориентации, эффективного внедрения природоохранных мероприятий.

Основными задачам курса ЭКОС являются:

  1. формирование экологического мировоззрения;
  2. обретение умений и навыков эффективного внедрения природоохранных мероприятий;
  3. усвоение основных закономерностей взаимодействия человека, общества и природы посредством обретения эколого-экономических знаний.

Понятие популяция (от лат. populus — народ) сначала использовали для определения групп людей, в экологии оно приобрело более широкое значение и характеризует группу особей любого вида.

Рассматривая уровни организации жизни – сообщество, популяции, организм, орган, клетку и ген мы видим, что они расположены в иерархическом порядке – от малых систем к крупным. На каждом уровне или ступени в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Под системой понимаются упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое. Экология изучает главным образом, системы надорганизменных уровней организации: популяционные, экологические.

Предмет и задачи экологии.

Экология – это наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и окружающей их средой.

Как наука, экология возникла во второй половине 19 века, долгое время развивалась и во второй половине 20 века приобрела современные черты, очертила цели, задачи, основные принципы и положения.

Любая наука (и экология в том числе) обладает следующими обязательными признаками. Если они имеются, то можно говорить о существовании науки:

  1. Цели и задачи.
  2. Собственный объект и предмет исследования.
  3. Систему методов исследования
  4. Набор основополагающих теоретических представлений.

Цели и задачи экологии

Целью экологии является выяснение путей, с помощью которых вид сохраняется в постоянно меняющихся условиях среды . Сохранение и процветание вида заключается в поддержании оптимальной численности его популяции. Она достигается посредством наличия оптимальных связей с окружающей средой. Из окружающей среды в организмы поступает вещество, необходимое для строительства их тела, энергия, используемая для функционирования вида, выработки приспособлений, позволяющих ему комфортно существовать в условиях внешней среды. Из организмов во внешнюю среду поступают продукты жизнедеятельности и отмершие организмы, которые ей (внешней средой) утилизируются. Нарушение хотя бы одного из этих процессов ведёт к вымиранию вида, поэтому целью экологии и является изучение всех процессов, всех связей всех компонентов природных систем, позволяющих виду существовать в соотвествующей внешней среде. Цель эта весьма обширна, поэтому для её достижения решается ряд более конкретных задач:

  1. Изучение механизмов адаптации организма к среде,
  2. Исследование регуляции численности популяций,
  3. Познание биологического разнообразия и механизмов его поддержания,
  4. Исследование продукционных процессов,
  5. Изучение протекающих в биосфере процессов с целью поддержания ее устойчивости,
  6. Разработка общей теории устойчивости экосистем,
  7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Объект и предмет исследования экологии

Главным объектом исследования экологии являются экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций (популяционный уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень). Это не противоречит сказанному, что объектом являются экосистемы, так как популяции и организмы изучаются не сами по себе, а как части экосистем, занимающие в них определённую нишу. Биосфера также является экосистемой глобального уровня. Так что можно повторить, что объектом исследования экологии является экосистема. Экосистема представляет собой любую взаимодействующую совокупность живых организмов и неживых компонентов природы на определённой территории. От отдельной лужи, кочки на болоте, до материка, природной зоны, биосферы в целом. То есть можно сказать, что вся наша биосфера состоит из бесчисленного множества экосистем различного размера, причём более мелкие экосистемы, входят в состав более крупных, те, в свою очередь, ещё более крупных и так далее.

Предметом исследования экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой, а также между самими организмами.

Изучение закономерностей геосферы, поиск и раскрытие связей между природой и человеком, а также конструирование оптимальной модели этого взаимодействия — вот чем занимается наука экология. Предмет и и методы исследований — какие они? Об этом пойдет речь далее.

Что такое экология?

Это наука, от которой, по сути, зависит будущее всего человеческого общества. В XXI столетии кризис во взаимоотношениях между человеком и окружающей средой обострился до предела, поэтому главные цели и задачи экологии кроются в поиске путей разрешения этого конфликта.

Название дисциплины происходит от двух грецких слов: «ойкос» — «дом, жилище», и «логос» — «учение». В 1866 году впервые упоминается наука «экология», предмет и задачи которой касаются особенностей взаимодействия общностей живых организмов между собой, а также с окружающей средой. Этот термин ввел в обиход немецкий ученый на страницах книги «Общая морфология организмов».

В широком понимании предмет изучения экологии кроется во взаимоотношениях организмов и окружающего их мира, а также в исследовании структуры и организации экосистем и популяций, выделении механизмов поддерживания их стойкости в пространственно-временном поле.

Суть экологии XXI-го века

Лишь в конце XIX века сформировалась наука экология. Предмет и задачи её в те времена сводились к изучению взаимосвязей живых организмов с внешней средой их обитания. По сути, таковой она оставалась до середины ХХ века, сохраняя черты чисто биологической дисциплины.

Ближе к концу прошлого столетия экология начинает превращаться в одну из первых синтетических (междисциплинарных) наук. В наши дни она сохранила свое греческое название. Правда оно, в сущности своей, уже не совсем точно отображает основные задачи экологии.

Современная экология XXI века — это наука о стратегиях сохранения и стабильного развития жизни на Земле в целом. Таково главное призвание этой дисциплины, соединившей в себе теоретические и практические черты.

Экология: предмет и задачи экологии

Едва ли не основным в методологическом аппарате любой науки выступает её предмет и комплекс задач. «Познание экономики природы,» — такой представлялась Эрнсту Геккелю экология. Предмет и задачи экологии — какие они? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Для ответа на него нужно опираться на известный в науке принцип системности. Он предусматривает понимание как единых, целостных систем. Исходя из принципа системности, объектом изучения экологии является экосистема (вернее, экосистемы разных рангов).

Экология в своем развитии призвана отвечать на два основополагающих вопроса:

  1. Какова структура экосистемы.
  2. Как функционирует и развивается экосистема.

Соответственно, вся экология делится на два больших раздела: на структурную и динамическую. Причем обе они находятся в теснейшем взаимодействии.

Исходя из общенаучного принципа системности, можно также очертить предмет изучения этой науки: это исследование структуры, особенностей, а также закономерностей функционирования экосистем разного уровня.

Какие же задачи ставит перед собой наука экология? Из них можно выделить следующие:

  1. Общее и комплексное изучение биосферы и её развития под влиянием разных факторов.
  2. Прогнозирование динамики состояния экосистем в пространственно-временном поле.
  3. Разработка путей оптимизации взаимоотношений между природой и человеком с целью улучшения качества жизни на планете в целом.

Место экологии в общенаучной системе знаний

Современная экология соединяет в себе элементы естественных, гуманитарных, точных и Биология, география, медицина, экономика, психология, социология и рациональное природопользование — с этими и некоторыми другими дисциплинами она пребывает в теснейшем взаимодействии.

Кроме того, на стыке экологии с другими близкими ей науками сформировались совершенно новые и интересные дисциплины. Среди таких — биоэкология, геоэкология, инженерная экология, ноосферология и тому подобные.

Структура современной экологической науки

На сегодняшний день известно более 100 направлений в экологической науке, каждое из которых занимается своей узкой проблематикой. Существует несколько классификаций экологии, каждая из которых построена по своим принципам. Наиболее детальной и обоснованной является структура, предложенная ученым М. Реймерсом.

Он предлагает разделять экологическую науку на два крупных блока:

  1. Теоретическая экология.
  2. Прикладная экология.

Первая включает в себя биоэкологию со всеми её многочисленными подразделениями, а также рекреацию. В блок прикладной экологии входит геоэкология, социоэкология, биосферология и инженерная экология со своими ответвлениями.

Весьма важное место в прикладном блоке занимает инженерная экология — наука о факторах и критериях Её также часто называют техноэкологией. Она включает в себя множество дисциплин: экология энергетики, экология транспорта и коммуникаций, экология сельского хозяйства, космическая экология, экологическая экспертиза и другие.

Стоит отметить, что каждая из вышеперечисленных дисциплин призвана решать свой круг проблем и задач. При этом все они используют наработки и достижения других экологических дисциплин.

Задачи и методы экологии

Для решения комплекса своих задач экологическая наука использует широкий набор различных методов. Их можно представить тремя основными группами:

  1. Методы для сбора информации о состоянии и функционировании экосистем.
  2. Методы обработки полученной информации.
  3. Методы интерпретации полученных материалов и результатов.

Самые популярные методы, используемые в экологии сегодня: стационарного наблюдения и эксперимента, математические, картографические, а также метод моделирования. Особенно популярно сегодня построение математических моделей. Для этого на основе добытых «в поле» эмпирических фактов и материалов строится абстрактная модель экосистемы (с помощью специальных символов). Потом, изменяя значения некоторых параметров, можно легко наблюдать за тем, как будет вести себя (изменяться) система.

В заключение…

Почти полтора столетия назад возникла наука, от успешного развития которой сегодня зависит будущее всего человечества. Имя этой науки — экология. Предмет и задачи экологии сводятся к изучению особенностей и закономерностей функционирования экосистем, на основе чего разрабатываются стратегии стабильного развития жизни на нашей планете. Современному человеку не надо доказывать необходимость существования этой науки.

Какие ключевые концепции экологии должны изучить все студенты, изучающие вступительную биографию?

Когда я поступил в Технологический институт Джорджии, «большим» (80–90 студентов) курсом, который я изучал, была общая экология. В свой первый год я вел курс вместе с моим коллегой Линь Цзяном. Я сделал то, что, вероятно, довольно типично: я попросил у него материалы, которые он использовал, когда в последний раз читал курс, а затем изменил их. Так что для меня было откровением, когда после первого семестра мы («мы», будучи людьми, участвующими в преподавании общей экологии и связанных с ней курсов) решили, что мы должны попытаться оценить, что изучают наши студенты.Мы не смогли найти хорошую оценку концепции экологии*, поэтому решили попробовать создать свою. Это включало в себя определение ключевых понятий, которые мы хотели, чтобы знали все студенты, окончившие курс экологии. Составление этого списка было невероятно полезным и изменило мой способ преподавания в следующий раз.

Я снова думал об этом, так как трачу больше времени на размышления о том, как преподавать экологию студентам-биологам здесь, в Мичигане. Я думал об этом раньше — недавно мы пересмотрели курс, и это потребовало много размышлений о том, чему учить.Но я чувствую, что хочу еще раз подумать об основных концепциях. Я хочу вернуться к основным концепциям экологии, которые мы с коллегами из GaTech придумали для курса экологии второго курса (т. 1 ст год) Конечно. В этом посте я надеюсь более тщательно обдумать основные концепции и получить отзывы от других о списке, который я составил.

Во-первых, я немного подробнее расскажу о курсе «Введение в биографию», который я преподаю.Это курс с большим набором учащихся (~ 550 студентов в семестр), в котором участвует много первокурсников первого семестра. По моему опыту, большинство из этих студентов никогда не сталкивались с экологией. (Я очень заинтересован в том, чтобы лучше оценить, что они знают об экологии, когда они начинают курс. У меня сложилось впечатление, что многие из них думают, что экология — это в значительной степени просто видео Дэвида Аттенборо.) Курс, рассчитанный на один семестр, охватывает экологию, эволюцию. и генетики, так что мы довольно ограничены в плане количества времени, которое мы должны посвятить чему-то одному.По этой и другим причинам я определенно за более глубокое освещение меньшего количества материала.

Во-вторых, я хочу немного подробнее объяснить, почему я задумался об этом. Некоторые из них представляют собой большую картину. В свете нынешнего политического климата в США я больше думал о том, что мне следует делать по-другому в своем классе. Как я уже сказал, для многих моих студентов это первое знакомство с экологией как наукой. Чему им нужно научиться, чтобы быть информированными гражданами — например, чтобы иметь возможность оценивать информацию, которую они слышат о глобальном изменении климата?**

Но есть и менее возвышенные мотивы.Пытаясь быть последовательным в том, как мы преподаем предметы в течение семестров, мы иногда посылаем электронные письма по определенной теме. Это недавно произошло с инженерами экосистемы, включая обсуждение конкретных примеров, которые мы должны или не должны использовать. Мой ответ на эту ветку электронной почты заключался в том, чтобы задаться вопросом, почему, учитывая очень ограниченное время, которое у нас есть для изучения экологии в этом курсе, мы вообще учим инженеров экосистем. Является ли это одной из самых фундаментальных тем для преподавания?***

Имея это представление, я теперь перейду к представлению списка из Технологического института Джорджии (который, опять же, был разработан для курса более высокого уровня), затем перечислю общие темы, которые я в настоящее время преподаю в Intro Bio, а затем дам свои идеи для списка основных концепций экологии, которые нужно осветить в Intro Bio.(Пару лет назад Брайан провел опрос о том, что должен охватывать курс экологии сообщества для старших классов.)

Список Технологического института Джорджии для курса 2 и года (примечание: этот список был составлен совместно несколькими экологами Технологического института Джорджии):

  1. Организмы адаптированы к окружающей среде, но ограничены компромиссами. Кроме того, генотипы различаются специфическими экологическими требованиями.
  2. Распространение и численность вида определяется его нишей, моделями расселения и взаимодействиями с другими организмами.
  3. Популяции сначала растут экспоненциально (или геометрически), но в конечном итоге рост сдерживается зависимостью от плотности.
  4. Изменения в численности населения отражают сумму рождений, смертей, иммиграции и эмиграции.
  5. На отдельных людей, популяции и сообщества влияет как физическая среда, так и взаимодействие с другими организмами.
  6. Конкуренция, хищничество, паразитизм и мутуализм — четыре основных типа межвидовых взаимодействий, которые структурируют сообщества.
  7. Соревнование происходит между особями (одного или разных видов), которые используют общий ресурс; Результатом может быть конкурентное исключение.
  8. Сукцессия – это изменение видового состава с течением времени, возникающее в результате действия как абиотических, так и биотических факторов, а также режимов нарушений.
  9. На видовое богатство влияют различия в видовых пулах, скорость колонизации, абиотические условия и взаимодействие видов.
  10. Ожидается, что наибольшее видовое богатство будет наблюдаться при средних уровнях беспокойства; видовое богатство при низком уровне разнообразия ограничено межвидовой конкуренцией.(Я думаю, чтение этого только что вызвало у Джереми сердечный приступ. Или, может быть, это означает, что он больше не захочет вести со мной блог. Возможно, и то, и другое. Было весело, ребята.)
  11. Солнце является основным источником энергии для большинства экосистем; первичная продукция автотрофов обеспечивает энергией все экосистемы.
  12. Экологические системы демонстрируют высокую степень связи, но виды не существуют на благо друг друга.
  13. Пищевые сети отражают трофические взаимодействия между организмами; степень связности и избыточности пищевых сетей определяет их устойчивость.
  14. Питательные вещества постоянно проходят через экосистему, тогда как энергия течет через экосистему.
  15. Добавление или удаление краеугольного хищника может иметь драматические последствия для всей пищевой сети.

(не помню, намеренно ли мы ограничились 15 концептами или так получилось.)

Прямо сейчас, я думаю, что самое вопиющее упущение из вышеприведенного списка касается климата. Я хотел бы, чтобы студенты поняли, откуда мы знаем, что климат быстро меняется и что люди несут за это ответственность.

Хорошо, перейдем к списку общих тем, которые я собираюсь осветить в Intro Bio.**** Когда прошлой осенью я читал Intro Bio, лекций, которые я читал (по 80 минут каждая), было:

  1. Поведенческая экология
  2. Окаменелости, история жизни и эволюция человека (да, это не так уж много, чтобы охватить их за 80 минут!)
  3. Популяционная экология
  4. Взаимодействие видов I: хищничество, паразитизм и травоядность
  5. Взаимодействие видов II: конкуренция и мутуализм
  6. Пищевые сети, косвенные эффекты и трофические каскады
  7. Широкомасштабные модели разнообразия
  8. Возникающие инфекционные заболевания и вирусы (вы, конечно, можете возразить, что это непропорциональное покрытие болезней, но я думаю, что это отличный способ охватить множество фундаментальных понятий таким образом, чтобы это было интересно учащимся)
  9. Экология экосистемы I: поток энергии и продуктивность
  10. Экология экосистемы II: круговорот азота и фосфора
  11. Экология экосистем III: круговорот углерода и глобальное изменение климата
  12. Влияние человека на эволюцию
  13. Воздействие человека на окружающую среду

Конечно, там есть потенциал для перемещения вещей. В этом году они разделили тему 2 на две лекции, что имеет большой смысл. (Я уже не помню, что было сжато, чтобы освободить место для этого сдвига.)

Хорошо, а теперь перейдем к моему списку ключевых концепций экологии для преподавания на уровне «Введение в био» (обратите внимание, что я пропускаю те, которые в основном относятся к эволюционным). Для этого я в основном изменяю список для курса более высокого уровня, который придумали мои коллеги по GT и я, но я также добавляю вещи, основанные на том, чему я учил за последние несколько лет, на основе этого CourseSource Ecology Learning Framework (подробнее см. первую сноску ниже) и на основе комментариев к этому моему старому сообщению в блоге о последних крупных концептуальных достижениях в области экологии.

Ключевые концепции экологии для студентов первого курса колледжа:

  1. Организмы приспособлены к окружающей среде; виды отличаются специфическими экологическими требованиями.
  2. Распространение и численность видов определяются физической средой обитания, моделями расселения и взаимодействиями с другими организмами.
  3. Сначала население быстро растет, но в конечном итоге его рост сдерживается зависимостью от плотности.
  4. Изменения в численности населения отражают сумму рождений, смертей, иммиграции и эмиграции.
  5. Конкуренция, хищничество, паразитизм, комменсализм и мутуализм — это пять основных типов межвидовых взаимодействий, которые структурируют сообщества.
  6. Соревнование происходит между особями (одного или разных видов), которые используют общий ресурс; Результатом может стать конкурентное исключение или эволюция.
  7. Положительные взаимодействия, такие как мутуализм, распространены в природе; при мутуализме каждый партнер платит за участие, но выгоды перевешивают затраты
  8. Взаимодействия хищник-жертва и хозяин-паразит могут влиять на поведение, скорость жизни, размер популяции и эволюцию.
  9. Добавление или удаление краеугольного хищника может иметь драматические последствия для всей пищевой сети.
  10. Количество и виды видов на территории изменяются за короткие промежутки времени в результате действия абиотических факторов (включая нарушения) и биотических факторов; это известно как преемственность.
  11. Количество и виды видов в районе изменяются в течение длительных (геологических) периодов времени в результате действия абиотических и биотических факторов, включая видообразование и (массовое) вымирание.
  12. Человеческая деятельность приводит к резкому изменению числа и видов видов в определенных районах в результате изменения среды обитания, эксплуатации, перемещения видов и их исчезновения.
  13. На видовое богатство влияют различия в видовых пулах, скорость колонизации, абиотические условия и взаимодействие видов.
  14. Люди используют биоразнообразие по-разному, в том числе для эстетической ценности, продуктов питания, открытия лекарств, экосистемных услуг и дизайна на основе биологии.
  15. Солнце является основным источником энергии для большинства экосистем; первичная продукция автотрофов обеспечивает энергией все экосистемы.
  16. Экологические системы демонстрируют высокую степень связи, но виды не существуют на благо друг друга.
  17. Пищевые сети отражают трофические взаимодействия между организмами; изменения численности на одном трофическом уровне могут отражаться в изменениях численности организмов на других трофических уровнях.
  18. Питательные вещества постоянно проходят через экосистему, тогда как энергия течет через экосистему.
  19. Климат быстро меняется из-за сжигания человеком ископаемого топлива; ожидается, что это будет иметь серьезные последствия для многих видов.
  20. Многие экологические процессы и взаимодействия опосредуются микробами.
  21. Эволюция может происходить в современных масштабах времени с важными последствиями для экологических взаимодействий.

Это моя первая попытка. 21 — это, вероятно, слишком много, но с 13 80-минутными уроками получается около 50 минут на концепцию, так что я не думаю, что это слишком много. (У нас также есть одно обсуждение в неделю, когда мы работаем над особенно сложными концепциями, такими как «потоки энергии, но циклы материи».) Я хотел бы услышать предложения о том, что можно добавить или убрать (но если вы предложите что-то добавить, это будьте добры предложить, что убрать!) Как вы думаете, какие понятия наиболее важны для изучения учащимися при их первом знакомстве с экологией? Чем ваш список будет отличаться от того, что я выложил?

 

* Я знаю, что группа Мишель Смит в штате Мэн работала над одним из них.Очень жду финальную версию! Недавно я узнал об этой структуре экологического обучения CourseSource, созданной некоторыми членами ESA (в частности, Дженнифер Доэрти, Дайан Эберт-Мэй и Бобом Поладом).

** В связи с этим я понял, что мне нужно изменить то, чему я учу, когда говорю об эволюции человека. Меня гораздо меньше беспокоит то, что они знают общие производные черты гоминидов, чем то, что они могут оценивать утверждения, связанные с биологическими аспектами расы.

*** Я мог бы привести аргументы в любом направлении по этому поводу, но прямо сейчас я думаю, что инженеры экосистемы, вероятно, не то, о чем я буду рассказывать в Intro Bio в будущем.

**** Есть навыки, которые я хочу, чтобы они приобрели, особенно как читать цифры и как думать, оценивать информацию, которую им представляют. Я также хотел бы, чтобы они развили общее понимание биоразнообразия. Я думаю, что мы делаем довольно хорошую работу, помогая им развивать навыки чтения цифр.Я не думаю, что в настоящее время мы хорошо справляемся с биоразнообразием.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Основные понятия, связанные с окружающей средой и экологией

Окружающая среда представляет собой совокупность всех условий и влияний, влияющих на развитие и жизнь всех организмов на Земле. Важность окружающей среды и экологии стала очень полезным ресурсом для сдачи различных конкурсных экзаменов. Основные концепции, связанные с окружающей средой и экологией, обсуждаются ниже:

1. Атмосфера: Газовая оболочка, окружающая землю.

2. Загрязнение воздуха: Различные газообразные загрязнители природного и техногенного происхождения попадают в атмосферу и оказывают неблагоприятное воздействие на нормальные свойства воздуха. Это приводит к загрязнению воздуха, которое вредно для жизни и окружающей среды.

3. Загрязнители воздуха: Газы и частицы, вызывающие загрязнение воздуха, называются загрязнителями воздуха.

4. Качество воздуха: Степень чистоты воздуха в конкретном месте.

5. Водоносный горизонт: Высокопроницаемый и пористый слой отложений или пород, содержащий воду.

6. Антропогенный: Связан с изучением происхождения и развития человека.

7. Абиотический компонент: Неживой компонент экосистемы.

8. Облесение: Посадка деревьев на территории для обеспечения лесного покрова.

9. Движение Аппико: Движение против уничтожения леса.

10. Искусственная среда: Объекты нашего окружения, созданные человеком.

11. Антибиотики: Это химическое вещество, полученное из плесени или бактерии, которое может убивать микроорганизмы и лечить бактериальные инфекции.

12. Автотроф: Это биологический термин, представляющий собой комбинацию двух слов: авто, что означает «я», и «троф», что означает «питательный». Автотрофные организмы синтезируют себе пищу из простых органических веществ.

13. Возрастная структура: Доля мужчин и женщин в молодой, взрослой и пожилой возрастной группе населения.

14. Кислотный дождь: Дождевая вода, содержащая смеси кислот (азотная, соляная и серная кислоты) из загрязненного воздуха, известна как кислотный дождь. Он наносит ущерб озерам, лесам и мраморным скульптурам.

15. Экология автомобилей: Это изучение отдельных организмов или видов по отношению к окружающей среде.

16. Багасса: Измельченный тростник после отжима сока.

17. Биогеохимический цикл: Пути циркуляции элементов в экосистеме.

18. Биоразнообразие: Относится к изменчивости живых организмов из всех источников, включая наземные, морские и другие водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это включает разнообразие внутри видов, между видами и экосистем.

19. Биогаз: Газ (энергетический ресурс), полученный из навоза животных.Это полезное топливо в сельской местности.

20. Биологическая среда: Все живые существа, присутствующие в нашем окружении, включены в биологическую среду.

21. Биом: Широкая региональная экосистема с особым климатом, почвой, флорой и фауной.

22. Биомасса: Постоянный урожай (живое вещество) живых организмов в пересчете на массу, присутствующий в любой момент времени в окружающей среде.

23. Биосфера: Сложная среда, состоящая из земли и атмосферы, в которой живут Организмы.

24. Биотический компонент: Живой компонент (т. е. растения, животные и микробы) в экосистеме.

25. Биоаккумуляция: Накопление небиоразлагаемых веществ в организме (например, свинец, ртуть, ДДТ и т. д.) в пищевой цепи.

Список регионального распределения диких животных по всему миру

26. Круговорот углерода: Естественный цикл, основанный на обмене углекислого газа между атмосферой, биосферой и океаном.

27. Канцероген: Химические вещества, вызывающие рак, например, бензо-α-пирен, мышьяк, ДДТ и т. д.

28. Пропускная способность: Максимальный размер населения, который данная система может поддерживать в течение определенного периода времени.

29. Хлорфторуглероды (ХФУ): Используется в качестве растворителя, хладагента, антипирена и т. д. Отвечает за озоновую дыру и парниковый эффект.

30. Сообщество: Популяция различных видов, живущих и взаимодействующих на данной территории.

31. Плотоядные:   Животные, питающиеся другими животными.

32. Компост: Богатая питательными веществами почва, полученная путем разложения органических веществ в аэробных условиях.

33. Комменсализм: Ассоциация различных видов, при которой один из организмов получает пользу, а другой организм не получает ни пользы, ни вреда в нормальных условиях.

34. Сохранение: Плановое управление окружающей средой человека с целью предотвращения ее эксплуатации или уничтожения.

Краткая информация о региональном распределении царств растений в мире

35. Экологический сброс: Относится к практике трансграничной перевозки отходов из одной страны в другую.

36. Децибел: Единица измерения интенсивности шума.

37. Лиственные: Деревья, которые становятся безлистными в течение определенного периода года.

38. Редуцент: Организмы зависят от мертвых останков арил-потребителя производителя в качестве пищи.

39. Биоразлагаемые загрязнители: Те загрязнители, которые со временем можно разложить на более простые, безвредные природные вещества.

40. Демография: Изучение человеческой популяции во всех отношениях.

41. Вырубка леса: Уничтожение лесного покрова. Опустынивание: Процесс, ведущий к образованию пустыни. Детрит: мертвое органическое вещество, в основном опавшие листья, в качестве живой подстилки в лесу.

42.Detrivores: Микробы, разлагающие детрит.

43. Бытовые отходы: Материалы, которые люди выбрасывают в своей повседневной деятельности.

44. Дренаж: Удаление поверхностных или подземных вод с территории естественным или искусственным путем.

45. Засуха: Аномальные условия возникают в окружающей среде из-за малого количества осадков или их отсутствия в течение длительного времени в определенной местности.

46.ДДТ: Пестицид, используемый в сельском хозяйстве и для искоренения малярии.

47. Время удвоения: Период, в течение которого население удваивается. Это около 100 лет в развитых странах и 40 лет в Индии.

48. Коэффициент зависимости: Соотношение людей 65+ (старше 65 лет) и 15 лет (младше 15 лет) к остальному населению.

Как биохимические циклы стабилизируют биосферу?

49. Вечнозеленое растение: Растения с зелеными листьями в течение всего года.Эксплуатация: Отношения, при которых один организм получает выгоду от прямого использования другим.

50. Экология: Изучение взаимодействия живых организмов с их биотической и абиотической средой.

51. Экосистема: Биологическое сообщество и его физическая среда, обменивающиеся материей и энергией.

52. Окружающая среда: Нечто, что окружает, т. е. окружает все наше окружение — мир природы, в котором мы живем, — живые и неживые объекты вокруг нас в нашей повседневной жизни.

53. Экологические исследования: Исследования качества окружающей среды и всех аспектов среды обитания человека, их деградации и т. д. включают экологические исследования.

54. Эвтрофикация: Перепитка водоемов из-за избыточного поступления нитратов и фосфатов со стоком — вредна для водоемов.

55. Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС): Систематический анализ воздействия крупного проекта развития на окружающую среду.

56. Вымирание: Исчезновение видов на Земле в результате естественного или искусственного процесса.

57. Сохранение ex-situ: Сохранение исчезающих видов вдали от их естественной среды обитания.

58. Землетрясение: Сотрясение и сотрясение земли из-за движения внутри литосферы, которое может быть тектоническим или вулканическим.

59. Энергия: Способность выполнять работу. Окружающая среда Физические, химические и биотические условия, окружающие организм (П.Н. Арора и др.).

60. Экологическая биология: Наука, изучающая взаимосвязь между организмами и окружающей их средой.

Что делает Землю пригодной для жизни?

61. Фауна: Видовой состав животных, присутствующих на территории. Удобрения: неорганические материалы, которые могут снабжать растения питательными веществами в доступной форме.

62. Коэффициент рождаемости: Количество живорождений в единицу времени на единицу численности фертильных женщин.

63. Флора: Видовой состав растений, присутствующих на территории. Наводнение: Затопление огромной площади суши водой.

64. Зола-унос: Мелкодисперсные частицы золы, образующиеся на тепловых электростанциях

65. Пищевая цепь: Метод передачи пищевых элементов между окружающей средой, производителями, потребителями и редуцентами. Корм: Зеленый корм для крупного рогатого скота.

66. Лес: Растительное сообщество преимущественно из деревьев, часто с обширным подлеском из теневыносливых кустарников и трав, обычно с сомкнутым составом.

Как изменение климата повлияло на жизнь человека?

67. Выпас скота: Поедание животными несобранных трав в качестве корма.

68. Подземные воды: Вода, содержащаяся под поверхностью земли.

69. Темп роста: Разница между рождаемостью и смертностью населения.

70. Газохол: Смесь бензина и спирта, известная как бензин, используется в Бразилии в качестве топлива для автомобилей и автобусов.

71. ВНП (Валовой национальный продукт): Индекс экономического положения страны, основанный на потребительском отношении, т. е. количество приобретаемых за год товаров, потребительские товары длительного пользования и финансовое положение потребителя.

72. Парниковый эффект (глобальное потепление): Повышение температуры земной поверхности из-за повышения уровня парниковых газов, а именно двуокиси углерода, метана и т. д. Последние задерживают тепло с поверхности земли и возвращают его, тем самым повышая температура земной поверхности.Это явление похоже на улавливание тепла в закрытой стеклянной теплице (используемой для выращивания овощей и цветов зимой) и поэтому называется парниковым эффектом.

73. Парниковые газы: Такие газы, как двуокись углерода, метан, водяной пар и т. д., которые поглощают инфракрасное излучение земли и возвращают его на поверхность земли, тем самым повышая температуру (глобальное потепление).

74. Подземные воды: Воды, содержащиеся в водоносных горизонтах на 50% ниже поверхности земли.Это основной источник (0,66%) пресной воды.

Знаете ли вы, как классифицируется степень опасности для исчезающих видов?

70. Здоровье: Это состояние полного физического, душевного и социального благополучия, а не просто отсутствие болезней или физических дефектов и способность вести социально и экономически продуктивную жизнь (ВОЗ, 1948).

71. Наследственность: Генетически желаемые черты и качества, полученные от родителей и предков.Травоядные: животные питаются производителем (т. Е. Зеленым растением).

72. Гетеротрофы: Животные и незеленые растения, не способные производить пищу. Гидрологический цикл: процесс непрерывной циркуляции воды между атмосферой и земной поверхностью.

73. Гетеротроф: Организм, который не может синтезировать свою собственную пищу и получает питание, питаясь другими.

74. Гумус: Темное аморфное вещество, которое частично разлагается и служит основным источником питательных веществ для растений.

75. Ураганы: Циклонические бури с проливными дождями и ветром со скоростью более 120 км/ч.

Список международных организаций и конвенций, связанных с биоразнообразием

76. Инсинерация: Процесс сжигания твердых отходов в инклинаторе при высокой температуре.

77. Инсектицид: Химическое вещество, используемое для борьбы с насекомыми.

78. Детская смертность: Число младенцев, рожденных на 1000 человек, которые умирают до своего первого дня рождения.

79. Ожидаемая продолжительность жизни: Среднее ожидаемое количество лет жизни новорожденного.

80. Литосфера: Наружная оболочка земной коры, состоящая из мантии горных пород. Он включает в себя почву, которая во многих местах покрывает скальную корку.

81. Магма: Расплавленная горная порода под поверхностью земли.

82. Монокультура: Выращивание одного урожая деревьев.

83. Природный газ: Подземные месторождения газов, содержащие в основном метан и небольшие количества пропана и бутана.Это более чистое топливо, чем ископаемое топливо, поскольку при сжигании выделяется меньше углекислого газа.

84. Природные опасности: Опасности от природных источников (землетрясение, извержение вулкана и т. д.), которые разрушают или наносят ущерб человеческим жизням, домам и т. д.

85. Нейтрон: Ядерная частица с нулевым зарядом и массой, (относительно нее).

86. Азотный цикл: Непрерывный обмен азота в экосистеме: воздух-почва-вода.

87. Фиксация азота: Преобразование атмосферного азота в аммиак азотфиксирующими бактериями/цианобактериями.

88. Деление ядер: Расщепление ядра (урана/плутония) на два или более фрагментов с выделением огромного количества энергии. Это источник ядерной энергии (генерация электроэнергии).

Как органическое земледелие помогает в секвестрации углерода?

89. ПАН (пероксиацилнитрат): Токсичный продукт фотохимических реакций смога.

90. Твердые частицы: Твердые частицы или капли лиганда, взвешенные в воздухе.Примерами являются частицы смога от сжигания ископаемого топлива.

91. Фотосинтез: Синтез пищи (углеводов) зелеными растениями в присутствии солнечного света с использованием углекислого газа из воздуха и воды из почвы.

92. Фитопланктон: Небольшие растения, такие как водоросли, бактерии, плавающие на поверхности воды. Фотогальванический элемент: солнечный элемент, который преобразует солнечную энергию в электричество.

93. Демографический взрыв: Чрезмерный рост населения, как в развивающихся странах, до размеров, превышающих вместимость.

94. Первичные загрязнители: Газообразные и твердые загрязнители, выбрасываемые непосредственно в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Выбрасываемые таким образом газы представляют собой монооксид углерода, оксиды азота, диоксид серы и углеводороды.

95. Время пребывания: Продолжительность времени, в течение которого химическое вещество или молекула остается в окружающей среде. Например, время пребывания молекулы CFC (хлорфторуглерода) в стратосфере составляет 100 лет.

Знаете ли вы значение минимальной кислородной зоны и мертвой зоны

96.Санитарная свалка: Полигон для захоронения отходов на земле, на которой твердые отходы разбросаны со свежим слоем глины.

97. Вторичный загрязнитель: Вредные загрязнители, образующиеся из первичных загрязнителей воздуха, например, сульфокислота является вторичным загрязнителем, образующимся первичным загрязнителем диоксидом серы в результате реакции с парами воды в воздухе.

98. Устойчивое развитие: Повышение качества жизни в долгосрочной перспективе без ухудшения состояния окружающей среды и без ущерба для потребностей будущих поколений.

99. Тектонические плиты: Огромные блоки земной коры, которые медленно скользят.

100. Транспирация: Потеря воды с поверхности растений.

101. Тропосфера: Нижняя часть атмосферы на высоте 0-11 км. Он содержит 70 процентов воздушных масс, которые всегда находятся в движении. Здесь температура уменьшается с увеличением высоты.

102. Стратосфера: Эта область находится над тропосферой на высоте 11-50 км над земной поверхностью. Здесь озон действует как защитный экран от ультрафиолетового излучения из космоса и, таким образом, защищает жизнь на Земле.

103. Урбанизация: Увеличение населения в городах за счет миграции из деревень и других штатов. Индия имеет огромное городское население (около 300 миллионов человек).

104. Заболачивание: Насыщение почвы оросительной водой или обильными дождями, в результате чего уровень грунтовых вод поднимается близко к поверхности.

105. Водораздел: Земельный участок, с которого вода самотеком стекает в общий дренажный канал.

106. Водно-болотные угодья: Экосистемы со стоячим водоемом и укоренившейся растительностью.

Окружающая среда и экология: полный учебный материал

История концепции экосистемы в экологии

Больше, чем сумма частей

Концепция экосистемы — идея о том, что флора и фауна взаимодействуют с окружающей средой, образуя экологический комплекс, — уже давно занимает центральное место в общественном восприятии экологии и в повышении осведомленности об деградации окружающей среды. В этой книге выдающийся эколог объясняет концепцию экосистемы, прослеживая ее эволюцию, описывая, какой вклад в ее эволюцию внесли многочисленные американские и европейские исследователи, и обсуждая взрывной рост исследований экосистем.

Голли исследует развитие концепции экосистемы в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков и обсуждает введение термина экосистема английским экологом сэром Артуром Джорджем Тэнсли в 1935 году. Затем он рассматривает, как американский эколог Раймонд Линдеман применил эту концепцию. к небольшому озеру в Миннесоте и показал, как биота и окружающая среда озера взаимодействуют посредством обмена энергией.Голли описывает, как основополагающий учебник по экологии, написанный Юджином П. Одумом, помог популяризировать концепцию экосистемы и как многие другие ученые исследовали ее принципы и опубликовали свои результаты. Он рассказывает, как исследования экосистем доминировали в экологии в 1960-х годах и стали ключевым элементом исследований биомов Международной биологической программы в Соединенных Штатах — программы, направленной на «улучшение человечества», в частности, путем сохранения, генетики человека и улучшения использования. природные ресурсы; как исследование экосистем водоразделов в Хаббард-Брук, штат Нью-Гэмпшир, проложило новые пути в исследованиях экосистем, определив границы системы естественным образом; и как текущие исследования используют концепцию экосистемы.Повсюду Голли показывает, как концепция экосистемы формировалась на международном уровне как благодаря развитию других дисциплин, так и личностям и политикам.

Фрэнк Б. Голли — профессор-исследователь экологии, профессор зоологии и профессор экологического дизайна в Университете Джорджии в Афинах. Он был президентом Экологического общества Америки, Международной ассоциации экологии и Международного общества тропической экологии.

«Эта типично американская научная история о развитии центральной концепции экологии представлена ​​с большой ясностью и научностью.Как изложение концепции, лежащей в основе человеческого существования и устремлений, эта книга предназначена для всего человечества». — Доктор Томас Э. Лавджой, помощник министра иностранных дел, Смитсоновский институт

.

«Эта книга является значительным дополнением к скудной литературе по истории экологии как из-за предмета, так и из-за вдумчивого и компетентного подхода Голли». — Эмили В. Б. Рассел, Университет Ратгерса

«Исторический отчет Голли увлекательный и эффективный.. . . Он дает нам историческую перспективу и рекомендации, чтобы сделать будущие исследования более эффективными». — Клайд Э. Гулден, , наука, ,

.

«Сильная сторона книги заключается в ее беспристрастной оценке исследователей и некоторых из крупнейших исследовательских программ в области экологии. Читатели найдут превосходный отчет о том, как разрабатывались важные идеи, и задумаются о том, как много можно сделать за всю жизнь… [Голли] делает убедительный аргумент в пользу необходимости сравнительных данных, которые могут предоставить только крупные [исследовательские] группы. Экосистемная экология слишком долго работала в мире грез с небольшим количеством гипотез и еще меньшим количеством данных. Очевидные уроки из этой книги заключаются в том, что для экосистем мы не сможем легко получить ни гипотезы, ни данные». — Стюарт Л. Пимм, Nature

«Личная, проницательная и научная история, прослеживающая идею экосистем… Отличная и легко читаемая книга» — Л.Б. Слободкина, Тенденции экологии и эволюции

«Отличное обсуждение сходств и различий во взглядах многих экологов двадцатого века.»—Фрэнк Т. Кусерк, Научные книги и фильмы

«Книга будет представлять очевидный интерес для экологов-экологов, но она также представляет собой краткую и полезную историческую информацию для тех, кто не обучался в учреждениях, занимающихся экосистемными программами». — Экология

«Это важное дополнение к недавним книгам по истории экологии. .. Точка зрения Голли ценна тем, что обеспечивает значительную глубину анализа, особенно в отношении Международной биологической программы.. . . Помимо экологической истории, он предоставляет много информации об отношениях между правительством США и спонсорством и финансированием научных исследований на протяжении большей части периода после Второй мировой войны ». — Нэнси Слэк, Journal of the History of Biology

«Эта книга, представляющая исключительный интерес, написана одним из поборников экологии. Для человека, проработавшего в бурные дни Международной биологической программы тридцать лет назад, каждая глава вызывает выброс адреналина и ускоряет пальцы к стопке карточек с запросами на переиздание. .Для тех, кто только знакомится с делом, это просто необходимо — стартовая площадка для любой исследовательской карьеры в области экологии. Самое интересное, на мой взгляд, это примечания к главе, полные ретроспективных взглядов и переполненные вопросами, которые все еще ждут ответа. Мой совет — прочитать их еще раз, прежде чем браться за последнюю главу, которая переполнена новыми проблемами. Хотел бы я снова стать аспирантом». — Дэвид Беллами, New Science

ISBN: 9780300066425
Дата публикации: 21 февраля 1996 г.

274 страницы, 6 x 9

О теории экологии | БиоНаука

Мы выступаем за расширение роли теории в экологии для ускорения научного прогресса, расширения возможностей решения экологических проблем, содействия развитию синтеза и объединения, а также улучшения планирования экспериментов и крупномасштабных программ мониторинга окружающей среды.Для достижения этих целей необходимо способствовать развитию того, что мы называем эффективными теориями, которые обладают несколькими ключевыми свойствами. Эффективные теории основаны на первых принципах, обычно выражаются на языке математики, делают мало предположений и генерируют большое количество прогнозов на каждый свободный параметр, являются приблизительными и влекут за собой прогнозы, которые обеспечивают хорошо понятные стандарты для сравнения с эмпирическими данными. Мы утверждаем, что разработка и последовательное совершенствование эффективных теорий обеспечивают прочную основу для развития науки об окружающей среде в эпоху больших данных.

Великая цель всей науки состоит в том, чтобы охватить наибольшее количество эмпирических фактов путем логического вывода из наименьшего числа гипотез или аксиом. (Альберт Эйнштейн)

Наука призвана углублять наше понимание мира природы. Прогресс в науке возникает из противоречия между индукцией и дедукцией, эмпиризмом и теорией. Данные, собранные с помощью наблюдений и экспериментов, дают представление о структуре и функциях мира природы, а теория организует существующие данные и новые идеи в связную концептуальную структуру, чтобы как объяснить существующие наблюдения, так и сделать новые прогнозы.Теория уменьшает кажущуюся сложность мира природы, поскольку она фиксирует основные черты системы, дает абстрактные характеристики и делает прогнозы для еще не наблюдаемых явлений, для проверки которых можно использовать дополнительные данные.

Существует много идей о природе теории в науке и философии (Nagel 1961, NRC 2008). В экологии в настоящее время нет единого мнения относительно определения, роли и общности теорий, что обсуждается в нескольких эссе (напр.г., Пикетт и соавт. 1994, Шайнер и Уиллиг, 2011). Неудивительно, что экологи используют теорию ярлыков для обозначения многих вещей. Значения теории варьируются от весьма конкретных до очень общих, от гипотез (например, гипотезы перекрытия кладки или гипотезы промежуточного нарушения) до концептуальных рамок для полных областей или исследовательских программ (например, макроэкология, природоохранная биология). Обзор экологической литературы находит ссылки на 78 теорий (см. дополнительную таблицу S1), почти половина из которых упоминалась более чем в двух публикациях (рис. 1, таблица S1), что говорит о том, что экология наводнена теориями.Но богата ли экологическая теория? Существуют ли в экологии разные типы теорий с разными постулатами и целями? Какие теории составляют фундаментальную концептуальную основу для построения более предсказательной, количественной и полезной науки об экологии? Область с большим и разнообразным количеством теорий может быть здоровой, но она также может препятствовать прогрессу; подавлять инновации; и привести к неадекватной политике управления, смягчения и адаптации к нежелательным воздействиям на окружающую среду. Обсуждение различных типов теорий в экологии является своевременным и необходимым занятием.

Рисунок 1.

Примеры экологических теорий, названных так в базе данных Thomson Reuters Web of Knowledge и основанных на запросах, указанных в дополнительной таблице S2. Столбцы пропорциональны количеству упоминаний каждой теории.

Рисунок 1.

Примеры экологических теорий, названных так в базе данных Thomson Reuters Web of Knowledge и основанных на запросах, указанных в дополнительной таблице S2. Столбцы пропорциональны количеству упоминаний каждой теории.

Здесь мы определяем теорию как иерархическую структуру, содержащую четко сформулированные постулаты, основанные на минимальном наборе предположений, из которых логически следует набор предсказаний. Теория по своей сути дедуктивна. Достижения в области данных стимулируют теорию, а новая теория уточняет, расширяет и заменяет старую теорию, тем самым исправляя недостатки и объясняя и предсказывая явления в той области, в которой они применяются. Таким образом, эволюция успешной теории заключается в том, чтобы она стала более общей за счет разработки подробных моделей, применяющих теорию к более широкому классу явлений.

Богата ли экологическая теория?

Богатство теорий в экологии в какой-то мере иллюзорно. Как упоминалось выше, некоторые «теории» (см. таблицу S1) на самом деле являются конкретными гипотезами или моделями. Экологи и другие ученые часто используют термины «модель» и «теория» неразличимо (например, Leijonhufvud 1997, Ginzburg and Jensen 2004), но они принципиально разные. Модели обычно предназначены для расширения нашего понимания или решения конкретной проблемы в определенной области (например,например, роль добавок питательных веществ в озерных экосистемах) или исследовать последствия ослабления одного или нескольких предположений теории (например, включение эффектов Алли в теорию метапопуляции). «Поскольку модели являются упрощенными, частичными формулировками теорий, к одной и той же теории может принадлежать несколько моделей, предназначенных для разъяснения различных ее аспектов» (Leijonhufvud 1997, стр. 194). путь к теории, но сами по себе они не теории.

Открытие новых эмпирических статистических закономерностей и статистических взаимосвязей часто приводит к теоретическим достижениям. Однако закономерности, выявленные индуктивно, сами по себе не составляют теорию, равно как и статистические представления данных или упражнения по подбору модели. Некоторые экологи считают модель статистической регрессии теоретической конструкцией (например, Peters 1991), но регрессия не соответствует нашему определению теории. Хотя регрессия может проверять теорию, оценивая предсказанные взаимосвязи между переменными, сама по себе она не является теорией.Статистический анализ может привести к созданию и уточнению теории; однако теория идет дальше, чтобы обеспечить понимание процессов, которые приводят к возникновению взаимосвязей, независимо от статистического соответствия.

Несмотря на очевидное богатство теорий в экологии (рис. 1, таблица S1), по-видимому, существует общая тенденция снижения использования и значения теории в биологии в целом (NRC 2008). Биологи, похоже, все больше недооценивают ту роль, которую может сыграть теория.Тот факт, что так называемые «модельные организмы» используются в большинстве исследований в области молекулярной биологии и биомедицины, означает, что биологи ищут общие тенденции и единые принципы, но, по-видимому, мало мотивации для организации новых результатов в строгой иерархической структуре, выраженной в язык математики. Отчасти это может быть связано с тем, что мы ошеломлены и чрезмерно впечатлены огромным количеством данных, которые можно получить из мира природы. Эпоха больших данных или информационный поток (т.g., Bollier and Firestone 2010), способствовала распространению гигантских баз данных, интеллектуального анализа данных, машинного обучения и других индуктивных подходов. Некоторые предполагают, что теории неуместны в эпоху больших данных — что корреляций достаточно, чтобы построить энергичную науку (Андерсон, 2008).

Мы не согласны. Мы утверждаем, что данные принципиально необходимы и важны, но их недостаточно; здоровая продуктивная наука нуждается как в теории, так и в данных, чтобы поддерживать непрерывное взаимодействие между индукцией и дедукцией. Независимо от того, сколько данных можно получить из социальных, биологических и экологических систем, множественность сущностей и взаимодействий между ними означает, что мы никогда не сможем предсказать многие характерные черты их структуры и динамики. Чтобы открыть основные принципы, механизмы и организацию сложных адаптивных систем и разработать количественную, предсказательную, концептуальную основу, в конечном итоге требуется тесная интеграция как теории, так и данных.

Существуют ли различные типы теорий в экологии?

Многие из теорий, перечисленных на рисунке 1, соответствуют определению теории, данному выше, но некоторые теории более эффективны, чем другие.Чтобы понять важность эффективности, полезно вернуться к замечанию британского статистика Джорджа Э. П. Бокса (Box, 1976), который сказал: «Поскольку все модели неверны, ученый не может получить «правильную» модель путем чрезмерной проработки. Наоборот, следуя Уильяму Оккаму, он должен искать экономное описание явлений природы» (стр. 792). Мы утверждаем, что то же самое верно и для оценки альтернативных теорий, которые претендуют на объяснение тех же явлений. Как указывал философ науки Ларри Лаудан, оценка теорий — это вопрос сравнения (Laudan, 1977), и одним из важных критериев сравнения является эффективность.Теория более эффективна, чем ее конкуренты, если она может дать больше и лучше объяснений и предсказаний с таким же количеством свободных параметров или конструкций (Laudan, 1977).

Здесь мы описываем нашу новую стратегию разработки эффективных теорий в экологии. Наша стратегия не является нормативной. В частности, мы не подразумеваем, что это единственный способ продвинуть экологическое понимание, особенно в рамках постмодернистской научной структуры (Фунтович и Равец, 1993, Аллен ТФХ и др., 2001). В последующем обсуждении полезно иметь в виду, что этимологически теория происходит от древнегреческого theōria, что означает «созерцание» или «созерцание».В этом смысле теория — это способ смотреть на мир, а не обязательно способ узнать, каков мир. Наше главное утверждение состоит в том, что эффективные теории обеспечивают особый взгляд на мир, который может быть особенно проницательным и полезным. Построение эффективных теорий имеет фундаментальное значение, потому что мы считаем, что это позволит ускорить развитие нашей области.

Мы не предлагаем, чтобы все экологи были теоретиками. Мы признаем ценность плюралистических подходов.Мы действительно верим, что здоровая и развивающаяся наука об экологии нуждается в определенном балансе между эмпириками и теоретиками. Такая сбалансированная наука не только будет способствовать развитию количественной и прогностической науки об экологии, но также будет способствовать применению экологической науки для решения насущных проблем климата, общества и здоровья. Мы надеемся, что наши размышления помогут лучше понять роль теории в экологии и объяснить, почему мы считаем развитие теории в экологии столь важным занятием.

Далее мы даем подробный отчет о том, что, по нашему мнению, является важными характеристиками эффективных теорий в экологии.

Что представляет собой эффективная теория?

Эффективные теории должны строиться, насколько это возможно, на первых принципах. Основой науки являются первые принципы, то есть постулаты, подобные количественным законам, о процессах, лежащих в основе данного класса явлений в мире природы, с хорошо установленной достоверностью, как теоретической, так и эмпирической (т.д., основные знания). Это не просто описания наблюдаемых явлений (см. Scheiner and Willig 2008). Первые принципы являются строительными блоками эффективных теорий. Они выполняют две функции. Во-первых, они позволяют объединить связи во всей области науки — например, между экологией и химической стехиометрией или термодинамикой. Во-вторых, их применение и следствия, сформулированные теорией, логически ведут к структуре теории и к априорным предсказаниям.

Язык математики обычно (но не всегда) выражает эффективные теории.Математически сформулированные теории, как правило, предпочтительнее, потому что логика более прозрачна, менее подвержена альтернативным интерпретациям и более поддается строгой эмпирической проверке. Увеличение количества неточных, качественных терминов и значений мало что сделает для развития экологии, но использование математики для уменьшения двусмысленности поможет. Тем не менее мы не отрицаем важности вербальных теорий. Дарвин и Уоллес, например, четко сформулировали основополагающую идею современной биологической теории — эволюцию путем естественного отбора — только на словах.Однако вербальные теории могут быть обогащены математическими формулировками, как в случае с теорией эволюции Дарвина посредством естественного отбора, которая была дополнительно усовершенствована посредством математической формулировки процесса эволюции и адаптации, как это выражено в фундаментальной теореме Фишера и теории Сьюэлла Райта. адаптивные ландшафты. Учитывая роль математических формулировок в эффективных теориях, вполне вероятно, что их роль в биологических науках будет возрастать (например, Cohen 2004, Krakauer et al.2011) и стали столь же важными в биологии, как и в физике в прошлом столетии (Wigner 1960). Согласно Хайдеггеру (1977), математика действительно является выдающейся чертой науки двадцатого века и подходящим средством для получения знаний о вещах в мире a mente concipere. Чтобы понять ее роль в порождении научного знания, нужно иметь в виду греческое понятие математики, происходящее от ta mathēmata, или «то, что можно выучить» и в то же время «чему можно научить» (Хайдеггер). 1977).Математика как движущая сила изучения мира и преподавания помогает уменьшить двусмысленность в общении и прогнозировании.

Эффективные теории предполагают как можно меньше предположений и свободных параметров. Теории в экологии проявляются во всех обличьях; они отличаются тем, сколько предположений они делают, сколько у них свободных параметров и сколько предсказаний они делают. Свободный параметр — это число, которое обычно не может быть получено из теории, но значение которого требуется для предсказаний. Лучшие теории — это те, которые объясняют или объединяют наибольшее количество явлений и генерируют наибольшее количество предсказаний на основе наименьшего количества предположений и свободных параметров. Если теории необходимо учитывать все детали системы, чтобы предсказать ее будущее поведение, сбор достаточного количества данных для оценки ее предсказаний потребовал бы чрезмерного объема работы. Такая теория была бы неэффективной и такой же сложной, как система, которую она пыталась описать. Теории должны давать сжатое описание изучаемой системы или явления, уменьшая тем самым его сложность. Свойство уменьшения сложности за счет сжатия теории является важным и часто игнорируемым атрибутом добра (т.э., эффективная) теория.

Теория не обязана быть точным и точным описанием изучаемого явления: мы должны ценить приближения. В физике существует множество приближенных теорий, делающих приближенные предсказания, необходимые для уточнения теории и продвижения в наших усилиях по пониманию природы анализируемого явления. Примеры включают ньютоновскую механику и ньютоновскую гравитацию, которые теперь считаются приближениями специальной и общей теории относительности соответственно.В свою очередь, многие физики ожидают, что общая теория относительности и теории поля, описывающие физику элементарных частиц, будут приближениями к более фундаментальной единой теории, детали которой являются предметом продолжающихся исследований. Эта итеративная процедура необходима для оценки того, что приблизительные теории могут и не могут объяснить, и для выявления того, на чем мы могли бы надлежащим образом сосредоточить новую работу. В экологии принято утверждать, что теория неверна, потому что конкретное наблюдение не согласуется с теорией.Однако, когда эмпирические наблюдения отклоняются от предсказаний теории, нас предупреждают о возможности того, что мы не приняли во внимание другие важные процессы.

Эффективные теории в экологии обеспечивают известный стандарт, по которому можно измерять природные явления. Под стандартом мы подразумеваем предсказание того, как будет работать мир, если будут действовать только первые принципы теории; они истинны по определению и не нуждаются в проверке, поскольку логически следуют из действия первых принципов.Без стандартов не было бы явных отклонений или пробелов в знаниях, поэтому не было бы необходимости в уточнении теории и расширении понимания, что привело бы к научному застою. Исторический пример поможет пояснить этот момент. В 1908 году Р.К. Паннета пригласили прочитать статью в Королевском медицинском обществе, где он представил доказательства важности менделевского наследования для понимания человеческих болезней, таких как брахидактилия. Во время дискуссии, которую вызвала эта статья, британский статистик Удни Юл возразил против важности менделевского наследования брахидактилии, заявив, что, если бы он был доминирующим признаком, он имел бы тенденцию к увеличению в человеческой популяции.В том же году великий английский математик Г. X. Харди в письме к редактору журнала Science показал, что утверждение Юла беспочвенно, так как при допущении случайного спаривания не наблюдается тенденции к увеличению доминантных признаков или рецессивных. вымирать в популяциях, потому что они остаются фиксированными после одного поколения. Это известный принцип Харди-Вайнберга. Когда аллели встречаются с частотами, отличными от ожиданий Харди-Вайнберга, мы не делаем вывод, что этот принцип фальсифицирован; скорее, мы заключаем, что другие процессы, такие как дрейф и отбор, а также неслучайное скрещивание также влияют на частоты генов между поколениями. Принцип Харди-Вайнберга подобен нейтральной модели, показывающей нам, чего ожидать в отсутствие дрейфа, мутации или отбора. Он обеспечивает стандарт, с которым можно сравнивать закономерности в природе, выявлять необъяснимые отклонения и объяснение которых потребует уточнения и дальнейшего тестирования. Конечным результатом будет расширение нашего понимания изучаемого явления. Кроме того, как видно из этого примера, тот факт, что теория наследственности Менделя поддавалась математическому анализу, привел к открытию принципа Харди-Вайнберга, что, в свою очередь, расширило наше понимание факторов, влияющих на микроэволюционные изменения, что способствовало развитию теории. .

Некоторые примеры эффективных теорий

В экологии и эволюционной экологии появилось несколько дедуктивных структур, соответствующих нашему описанию эффективной теории. В этом разделе мы рассмотрим и сравним некоторые из этих теорий, чтобы познакомить читателей с ключевыми характеристиками дедуктивной теории, которые мы считаем очень эффективными и полезными. Из этих сравнений мы утверждаем, что эффективная теория экологии проста, экономна, основана на первых принципах, количественна и математическа, с небольшим количеством входных данных и большим количеством прогнозов.

Теория соотношения полов Фишера

Аргумент, лежащий в основе теории соотношения полов Фишера, заключается в том, что относительная репродуктивная ценность для родителей сыновей (а не дочерей) равна относительному давлению отбора, благоприятствующему производству сыновей. Теория включает в себя предположение, что родители определяют пол своего потомства, и определение репродуктивной ценности. Фишер (1930) определил репродуктивную ценность в контексте популяций с возрастной структурой, так что, учитывая, что особь доживает до возраста x, ее ожидаемое воспроизводство, начиная с возраста x, составляет v x .Эта величина вычисляется в дискретном случае как Σ y = x l y m y dy/R, а в непрерывном случае как ∫ y = x l y m y dy/R, где l x — вероятность дожить от возраста 0 до возраста x, m x — среднее число потомков, производимых особью возраста x, а R — чистая репродуктивная способность популяции. Канонический пример Фишера предполагает нерастущую популяцию вида, в которой у каждого потомства есть мать и отец.В этом случае прогнозируемое равновесное соотношение полов равно паритету. Когда мы наблюдаем отклонения от соотношения полов один к одному у видов с двумя родителями, мы не утверждаем, что опровергли теорию Фишера. Скорее, мы спрашиваем, действительно ли репродуктивная ценность дочерей и сыновей одинакова. Следовательно, несоответствие прогнозов наблюдениям предполагает последующие гипотезы об источниках дифференциальной репродуктивной ценности каждого пола потомства (например, Gowaty and Lennartz, 1985).

Теория оптимального поиска пищи

Теория оптимального поиска пищи (OFT) связана с пониманием решений, которые люди принимают во время поиска пищи в неоднородных средах (например,г., Макартур и Пианка 1966, Чарнов 1976). Эта теория существует уже более 50 лет и продолжает уточняться и расширяться (например, Beckerman et al. 2006). OFT предназначен для объяснения поведения животных при поиске пищи с помощью количественной теории, основанной на первых принципах энергетического и массового баланса и естественного отбора. Предполагая, что естественный отбор формировал поведение организмов таким образом, чтобы максимизировать приспособленность, он позволяет предсказывать различные явления, включая оптимальную диету, выбор участков и количество времени, которое можно потратить на поиски пищи на участке, а также передвижения и посещения. ставки (т.г., Пайк, 1984). Одной из фундаментальных математических теорем в рамках OFT является теорема о предельной ценности (Чарнов, 1976), которая утверждает, что время, в течение которого собиратель будет оставаться на участке i, T 90 766 i 90 767 , зависит от предельного уровня чистого потребления энергии, g 90 766 i 90 767 (T i ), связанный с участком, и среднее потребление энергии всей средой обитания, E n , посредством следующего соотношения:

\begin{equation} \frac{\partial g_{i}(T_{i})}{\partial T_{i}}=E_{n}. \end{equation}

Согласно этой теореме, собиратель должен покинуть участок, когда уровень потребления энергии падает ниже среднего для среды обитания.Отклонение от предсказанного времени пребывания на участках вместо того, чтобы восприниматься как причина для отказа от теории, проложило путь к пониманию эффектов других процессов, ограничивающих потребление энергии и решения о поиске пищи, таких как риск нападения хищников, конкурирующие виды деятельности (например, поиск партнеры) и физиологическое состояние (например, Pyke 1984, Nonacs 2001). Мы знаем, что деятельность животных в естественном мире может быть субоптимальной, так же как мы знаем, что виды не равны в расчете на душу населения и что демографические процессы не являются чисто стохастическими, как предполагается в нейтральной теории (Hubbell 2001).Однако математика оптимальности и нейтральности позволяет нам делать точные прогнозы, которые можно проверить на данных. Результат этого противостояния теории и данных приводит к уточнению теории и предсказанию новых явлений, направляет сбор данных и расширяет наше понимание мира природы.

Метаболическая теория экологии

Метаболическая теория экологии (МТЭ) сосредоточена на понимании того, как взаимодействие между физиологическими, экологическими и эволюционными процессами влияет и зависит от индивидуальной скорости метаболизма (Brown et al.2004 г., Уэст и Браун, 2005 г., Сибли и др. 2012). Основная предпосылка теории заключается в том, что скорость метаболизма имеет фундаментальное значение для экологии, поскольку именно посредством метаболизма организмы взаимодействуют с окружающей средой. За последние 10 лет MTE дал два основных класса моделей. Первый прогнозирует, как две переменные — размер тела и температура — влияют на скорость метаболизма организмов (например, Spatz 1991, West et al. 1997, Gillooly et al. 2001). Этот акцент на размере и температуре основан на ранних работах, демонстрирующих, что каждая из этих переменных является основными детерминантами скорости метаболизма в различных формах жизни (Аррениус, 1889, Клейбер, 1961, Робинсон и др. 1983). Второй класс моделей исследует последствия скорости метаболизма на разных уровнях биологической организации, от геномов до экосистем. Эмпирические данные в целом согласуются с предсказаниями MTE, согласно которым размер и температура ограничивают различные скорости процессов, включая эволюцию ДНК (например, Gillooly et al., 2005), рост населения (например, Savage et al., 2004) и поток углерода в экосистеме (Enquist). и др., 2003 г., Аллен А.П. и др., 2005 г., Лопес-Уррутиа и др., 2006 г.), благодаря их влиянию на скорость метаболизма.Поскольку MTE дает предсказания для этих разнообразных явлений, учитывая только два параметра — размер тела и температуру — она представляет собой эффективную теорию в экологии. Однако важно отметить, что дисперсия, оставшаяся необъяснимой в моделях MTE, может быть существенной, как отмечалось в некоторых критических исследованиях (например, Tilman et al. 2004). Это изменение, вероятно, отражает влияние других признаков или детерминант скорости метаболизма и других экологических и эволюционных процессов (например, Марке и др. , 2004 г., Энквист и др., 2007 г., Рюгер и Кондит, 2012 г., Лин и др.2013). Таким образом, отклонения данных от прогнозов MTE обеспечивают контрольные точки для оценки важности переменных, отличных от размера тела и температуры, во влиянии на процессы биологической скорости (Enquist et al. 2009).

MTE обеспечивает общую систему отсчета для сравнения организмов, которые, несмотря на их различную историю эволюции и экологические условия, подчиняются одним и тем же основным принципам, связанным с метаболизмом, размером и температурой. Примером этого является применение MTE для понимания различий в скорости онтогенетического роста (рисунок 2a; West et al.2001). В частности, MTE предсказывает универсальную траекторию роста, которой подчиняются все организмы — или рушатся — после того, как они будут помещены в одну и ту же систему отсчета (с измененным масштабом времени и размера), которая предусмотрена теорией.

Рисунок 2.

Масштабный коллапс траекторий онтогенетического роста (а) и кривых вид-площадь (б), как это предсказывает метаболическая экологическая теория (а) и экологическая теория максимальной энтропии (б) (по West et al. 2001 г. и Харте и др. 2009 г. соответственно).Коллапс масштаба означает, что когда различные системы помещаются в одну и ту же систему отсчета, что достигается путем изменения масштаба, можно показать, что разные реализации одного и того же явления (вставки) подчиняются одному и тому же универсальному соотношению, предсказанному теорией. На панели (а) теория допускает преобразование времени и размера в безразмерные переменные, что показывает, что онтогенетические траектории, соответствующие 13 различным видам, обозначенным разными символами, следуют одному и тому же общему закону.Четыре из этих видов изображены на вставке. На панели (b) график показывает, как изменяется наклон различных кривых вид-площадь в зависимости от отношения общего числа особей (N) и видового богатства (S), наблюдаемых в конкретном районе. На вставке показаны три частных случая изменения числа видов с площадью.

Рисунок 2.

Масштабный коллапс траекторий онтогенетического роста (а) и кривых вид-площадь (б), как это предсказывается метаболической теорией экологии (а) и теорией максимальной энтропии в экологии (б) (по West et al. .2001 и Harte et al. 2009 г. соответственно). Коллапс масштаба означает, что когда различные системы помещаются в одну и ту же систему отсчета, что достигается путем изменения масштаба, можно показать, что разные реализации одного и того же явления (вставки) подчиняются одному и тому же универсальному соотношению, предсказанному теорией. На панели (а) теория допускает преобразование времени и размера в безразмерные переменные, что показывает, что онтогенетические траектории, соответствующие 13 различным видам, обозначенным разными символами, следуют одному и тому же общему закону.Четыре из этих видов изображены на вставке. На панели (b) график показывает, как изменяется наклон различных кривых вид-площадь в зависимости от отношения общего числа особей (N) и видового богатства (S), наблюдаемых в конкретном районе. На вставке показаны три частных случая изменения числа видов с площадью.

Максимально-энтропийная теория экологии

Теория информации в форме процедуры вывода MaxEnt (Jaynes 1982) обеспечивает основу для теории максимальной энтропии в экологии (METE), которая предсказывает реалистичные функции, описывающие основные закономерности в макроэкологии. Прогнозы METE включают распределение численности видов, пространственное распределение особей внутри видов, взаимосвязь между видами и ареалами и эндемиками, а также распределение скорости метаболизма среди особей внутри и между видами (Harte et al. 2008, 2009, Харт 2011). По аналогии с термодинамикой, в которой переменные состояния давление, объем, температура и число частиц характеризуют систему, в МЭТЭ знание переменных состояния S 0 (количество видов), N 0 (количество индивидуумов), E 0 (скорость метаболизма, суммированная по индивидуумам) и A 0 (площадь системы) обеспечивают ограничения, которые используются для получения прогнозов, и с дополнительной переменной состояния L 0 ( количество трофических ссылок в сети), MaxEnt прогнозирует распределение ссылок (Williams 2010).Примечательным предсказанием теории является коллапс всех кривых «вид-площадь» в универсальном масштабе на универсальную кривую (Harte et al. 2009). В частности, если локальный наклон кривой log (видовое богатство) и log (площадь) построен как функция отношения средней общей численности в этом масштабе к среднему видовому богатству в этом масштабе, METE предсказывает, что все данные падают на одну падающую кривую (рис. 2б). Это проверенное предсказание резко отличается от степенного поведения, в котором различные отношения видов и ареалов проявляются в виде горизонтальных линий, а пересечения варьируются от одной экосистемы к другой.Хотя тесты METE с использованием данных переписи растений, птиц и членистоногих из различных мест обитания и в пространственных масштабах от квадратных метров до тысяч квадратных километров показывают, что теория предсказывает наблюдаемые закономерности без каких-либо регулируемых параметров, отмечаются некоторые систематические расхождения. для сообществ, которые относительно быстро меняются, например, после возмущения (Harte 2011). Закономерности отклонения от теории быстро меняющихся систем могут позволить расширить METE от статической теории до динамической теории.

Нейтральная теория биоразнообразия

Нейтральная теория биоразнообразия (NTB) сосредоточена на понимании роли стохастических демографических процессов в управлении структурой и динамикой сообществ в масштабах времени от экологического до макроэволюционного (Hubbell 2001). Теория дает богатый набор предсказаний различных явлений, включая частотное распределение обилия видов, отношения между видами и ареалами, структуру филогенетического дерева и связь видового богатства с макроэволюционными темпами видообразования и вымирания (Hubbell 2001).Более того, он делает это, используя очень мало параметров, предполагая демографическую эквивалентность видов в отношении темпов видообразования, рождения, смерти и расселения на душу населения (т. е. на индивидуальном уровне) (Волков и др., 2005). Таким образом, NTB представляет собой эффективную теорию. Он демонстрирует, как различия относительной численности между видами могут возникать исключительно из-за простых стохастических правил, которые применяются ко всем видам, составляющим сообщество, и, таким образом, обеспечивает полезную основу для сравнения эмпирических данных (Hubbell 2001, Leigh 2007). Этот акцент на сходстве видов, а не на различиях видов, представляет собой серьезную проблему для парадигмы ниши, которая преобладала в экологии сообществ с 1960-х годов. Несмотря на простоту моделей NTB, они часто демонстрируют удивительно хорошее соответствие данным о численности видов (Волков и др., 2005 г.) и другим экологическим закономерностям (например, Розинделл и Корнелл, 2009 г., Галлей и Иваса, 2011 г.), хотя отклонения от предсказаний модели также являются значительными. часто наблюдается (например, Gilbert and Lechowicz, 2004).Однако мы утверждаем, что способность фальсифицировать NTB представляет собой достоинство этой теории — и эффективных экологических теорий в целом — потому что она прокладывает путь к более реалистичным моделям и более глубокому пониманию экологических систем, основанных на лежащих в их основе динамических процессах. Когда эффективные теории терпят неудачу, они делают это информативно. Как сказал Бейтсон (1908):

Цените свои исключения! Когда их нет, работа становится настолько скучной, что никто не хочет продолжать ее дальше. Держите их всегда открытыми и на виду.Исключения подобны грубой кирпичной кладке растущего здания, которая говорит о том, что все еще впереди, и показывает, где будет следующая постройка. (стр. 19)

Мы утверждаем, что, прежде всего, исключения из эффективных теорий помогают продвигать научное знание на прочной основе.

Некоторые примеры неэффективных теорий

Для ясности мы считаем полезным выделить некоторые неэффективные теории. Мы не подразумеваем, что их следует отбросить как имеющие ограниченную ценность, но они не соответствуют некоторым характеристикам, используемым для определения эффективных теорий.

R* или теория соотношения ресурсов

Совокупность работ, представленных R* или теорией соотношения ресурсов, которая стимулировала огромное количество исследований, была впервые предложена Макартуром и Левинсом (1964), а затем расширена Тилманом (1982) для прогнозирования конкуренции между потребителями. видов для ограничения ресурсов. Теория R* предсказывает, что в условиях конкуренции за одно однородно распределенное ограничивающее питательное вещество победителем будет тот вид, который поддерживает положительную скорость роста популяции при самой низкой концентрации ограничивающего питательного вещества.Он также предсказывает сосуществование двух видов, когда скорость роста каждого вида ограничена другим питательным веществом. Когда ресурсы распределены неоднородно, количество видов может быть больше, чем количество ограничивающих ресурсов, тем самым разрешая парадокс Хатчинсона о планктоне. Теория R * является концептуальным шагом вперед по сравнению с предыдущими феноменологическими теориями конкуренции, такими как модель хищник-жертва Лотки-Вольтерры, потому что она предсказывает исход экспериментов по конкуренции до их проведения.Однако оказалось, что его трудно проверить, поскольку он имеет большое количество свободных параметров (минимум три параметра на комбинацию видов и ресурсов, в дополнение к уровням смертности и уровням обеспеченности ресурсами), которые все должны быть измерены для получения прогнозов. Это объясняет, почему большинство тестов было ограничено лабораторными или экспериментальными микрокосмами с использованием видов с коротким временем генерации (обычно первичные производители в пресноводных экосистемах; Миллер и др., 2005). Хотя теория основана на первых принципах, связывающих рост населения с предложением и потреблением ресурсов, она неэффективна из-за большого количества свободных параметров, что ограничивает ее область применения и возможность полевых испытаний.Тем не менее, доказано, что он обладает эвристической ценностью, что привело к нескольким расширениям (Leibold 1995, Daufresne and Hedin 2005).

Теория динамического бюджета энергии

Теория динамического энергетического баланса (DEB) предназначена для объяснения истории жизни организмов в среде с заданным количеством ресурсов на основе математического описания скоростей, с которыми люди ассимилируют и используют энергию и материалы из ресурсов для поддержания жизнедеятельности. процессы поддержания, роста, размножения и развития.DEB основан на основных принципах, продиктованных кинетикой и термодинамикой потоков энергии и материалов, но требует данных и содержит множество свободных параметров (см. Kooijman 2000). Согласно Nisbet и коллегам (2000), для применения теории к растущему организму требуется оценка 15 параметров; DEB, как и R*-теория, богат параметрами, и большинство из них видоспецифичны, что затрудняет генерацию общих прогнозов.

На протяжении всей настоящей статьи мы подчеркивали важность теории в индуктивно-дедуктивном цикле.Однако бывают ситуации, когда сложность изучаемой системы и отсутствие адекватных теорий препятствуют прогрессу в понимании. В этой ситуации использование симуляций или индивидуальных (агентных) моделей (например, Railsback и Grimm 2012) может быть единственным доступным инструментом. Агентные модели с богатым набором параметров и массовым моделированием могут быть эффективными при выдвижении гипотез и помощи в проверке альтернативных моделей для закономерностей, наблюдаемых в природе (например, Арим и др. , 2010 г.), особенно когда проводятся полевые или лабораторные испытания. не вариант (но см. май 2004 г.).Однако мы рассматриваем этот подход только как этап в процессе понимания, который может привести к выявлению первых принципов и, в конечном счете, к разработке эффективных теорий.

Теория синтеза и объединения

Дедуктивные, количественные теории, основанные на первых принципах, постоянно расширяются и при этом могут приближаться или пересекаться с областями других теорий, тем самым увеличивая потенциал для синтеза и объединения.Хотя понимание биоразнообразия с теоретической точки зрения явно представляет собой серьезную проблему (например, Simberloff 2004), мы с оптимизмом смотрим на то, что можно добиться значительного прогресса, используя простые количественные прогностические теории, основанные на первых принципах.

Эффективные теории, основанные на первых принципах, способствуют синтезу и объединению. Например, хотя MTE и NTB сосредоточены на разных аспектах экологической сложности — энергии и стохастичности соответственно — у них есть общая точка соприкосновения, открывающая возможности для синтеза.В частности, каждая теория постулирует, что экосистемы управляются универсальными принципами и процессами, которые действуют на уровне отдельного организма и, следовательно, выходят за рамки видовой идентичности в формировании моделей биоразнообразия. Например, MTE дает прогнозы зависимости скорости метаболизма от размера, предполагая, что организмы ограничены родовыми свойствами биологических распределительных сетей (West et al., 1997). Точно так же NTB выводит прогнозы частотного распределения численности видов, предполагая демографическую эквивалентность видов в отношении скорости видообразования, рождения, смерти и расселения на душу населения (Волков и др.2005).

Существует несколько способов реализации потенциала объединения этих теорий. Например, одно из ключевых предположений NTB состоит в том, что все люди имеют одинаковые демографические показатели, независимо от их размера. Это предположение биологически нереалистично и противоречит предсказаниям MTE, но его можно смягчить, объединив эффекты демографической стохастичности с зависящими от размера демографическими показателями (O’Dwyer et al. 2009). Зависимость рождаемости, смертности и темпов роста от размера можно затем использовать в качестве входных данных MTE (Savage et al.2004), и результирующий диапазон переплетенных прогнозов намного шире, чем у NTB или только MTE. Например, интеграция двух теорий позволяет прогнозировать распределение альтернативных валют, таких как распределение биомассы видов (например, Morlon et al. 2009), наряду с традиционным распределением численности видов.

Выводы

Достижения в науке во многом связаны с итеративным процессом индукции и дедукции, предсказания и проверки.Мы считаем, что более широкое признание положительной роли этого взаимодействия в открытиях значительно ускорит научный прогресс в биологии и, в частности, в экологии. Пятьдесят лет назад Джон Платт (1964) обратил внимание на взаимосвязь между индукцией и дедукцией и призвал ученых разработать программу, которую он назвал сильным выводом, которая напрямую связывает сбор данных с правильно сформулированными гипотезами. Строгий вывод подразумевает следование простому, но строгому протоколу экспериментальной науки, эффективно разработанному для фальсификации альтернативных гипотез.Статья Платта (1964) оказала огромное влияние на практику экспериментальной науки и, в последнее время, на моделирование (например, Beard and Kushmerick 2009, Railsback and Grimm 2012, Gowaty and Hubbell 2013). Проясняющее обсуждение типов теорий и их роли в открытии, как мы попытались сделать здесь, может оказать аналогичное влияние на экологию.

Превосходство индуктивных подходов в биологии — и в экологии в частности — отражается в увлечении сбором информации о мире, как если бы мы должны были найти понимание в ее накоплении.Эта тенденция становится еще более острой в последнее время из-за технологических прорывов, которые обеспечивают беспрецедентное количество и разнообразие информации об организмах, от микробов до деревьев, и об окружающей среде, от локального до глобального масштаба. Появление новых субдисциплин, таких как биоинформатика и экоинформатика, наряду с предпринимаемыми в настоящее время монументальными научными усилиями, такими как секвенирование полных геномов и метагеномов и создание крупномасштабных и долгосрочных сетей экологического мониторинга (например,г., Национальная сеть экологических обсерваторий), ясно представляют важный и ценный научный прогресс. Однако мы считаем, что для того, чтобы такие усилия принесли плоды, они должны быть направлены на разработку эффективной теории и более тесно связаны с ней. Данные имеют большое значение, но без теории у нас есть только феноменология и корреляция, и мы теряем возможность увязать сложность экологических систем с помощью простых количественных принципов; как было предложено Хартом (2002), нам нужна более тесная интеграция ньютоновского и дарвиновского мировоззрений.С эффективными теориями мы можем использовать потенциал эмпирических данных, чтобы добиться более эффективного прогресса в нашей дисциплине и предоставить более обоснованные ответы на насущные проблемы, стоящие перед человечеством, такие как понимание здоровья, болезней и дисфункций у людей (West 2012). Как ясно заявил лауреат Нобелевской премии Сидней Бреннер,

Биологические исследования переживают кризис…. Технологии дают нам инструменты для анализа организмов на всех уровнях, но мы тонем в море данных и жаждем какой-то теоретической основы, с помощью которой можно было бы это понять.Хотя многие считают, что чем больше, тем лучше, история говорит нам, что чем меньше, тем лучше. Нам нужна теория и твердое понимание природы объектов, которые мы изучаем, чтобы предсказать остальное. (Brenner 2012, стр. 461)

Аналогичным образом можно сказать, что «большие данные без сопутствующей им большой теории теряют большую часть своей эффективности и полезности» (West 2013, стр. 14).

Понимание биоразнообразия с теоретической точки зрения представляет собой сложную задачу, но мы надеемся, что, стремясь к разработке эффективных теорий, можно добиться значительного прогресса.Мы считаем, что эффективные теории обеспечивают прочную основу для развития науки в эпоху больших данных.

В этой статье мы выступали за уточнение и расширение роли теории в экологии для ускорения научного прогресса, повышения нашей способности решать экологические проблемы и способствовать развитию синтеза и объединению теорий. Мы сосредоточились на необходимости разработки более эффективных теорий в экологии и на применении таких теорий для разработки экспериментальных программ и крупномасштабных программ мониторинга окружающей среды.Нашей основной целью было определить характеристики экологических теорий, которые ведут к более быстрому развитию. Мы показали, что более эффективные теории, как правило, делают меньше, проще и более фундаментальные предположения и генерируют большее количество проверяемых предсказаний на свободный параметр, чем менее эффективные теории. Наконец, мы утверждали, что экология будет развиваться намного быстрее, если экологи будут использовать эффективные, приблизительные теории и совершенствовать их посредством процесса последовательных уточнений. Мы утверждаем, что разработка эффективных теорий обеспечивает надежную эпистемологическую основу для содействия прогрессу и синтезу в экологии.

Это исследование было поддержано Национальным центром экологического анализа и синтеза, центром, финансируемым грантом Национального научного фонда (NSF) №. DEB-0072909, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре. Мы также признательны за поддержку Института Санта-Фе в виде гранта NSF №. DEB-0628281 и проекты №. ICM P05-002, №. ПФБ-23 и нет. ФОНДАП 1501-0001. Эта статья стала результатом встречи в Вальпараисо, Чили, в 2006 г. Первый вариант рукописи появился в начале 2007 г. как манифест экологии, который мы решили опубликовать, понимая, что то, что мы говорим, может способствовать продвижение области.Мы благодарим многих людей, которые предоставили ценные комментарии и критические замечания и посетили некоторые встречи, на которых мы обсуждали эти идеи. В частности, мы благодарим Джаянта Банавара, Джона Дамута, Аврору Гаксиолу, Амоса Маритана и Игоря Волкова. Наконец, мы благодарим трех анонимных рецензентов за их идеи, комментарии и полезную критику по некоторым ключевым концептуальным и философским вопросам, которые помогли нам смягчить и уточнить наши мысли о теории экологии.

Дополнительный материал

Дополнительный материал доступен в Интернете по адресу Supplementary Data.

Приведенные ссылки

Аллен

АП

Гиллули

ДжФ

Коричневый

ДЖХ

Связь глобального углеродного цикла с индивидуальным метаболизмом

Функциональная экология

2005

19

202

213

Аллен

ТФХ

Тейнтер

ДЖА

Пирес

ДК

Хукстра

ТВ

Экология Драгнета — «Только факты, мэм»: привилегия науки в постмодернистском мире

БиоНаука

2001

51

475

485

Андерсон

С.

Конец теории: поток данных делает научный метод устаревшим

Проводной (16.07)

2008

Арим

М

Абадес

СР

Лауфер

Г

Лоурейро

М

Марке

ПА

Структура пищевой сети и размер тела: трофическое положение и приобретение ресурсов

Ойкос

2010

119

147

153

Аррениус

С.

Über die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Inversion von Rohrzucker durch Säuren

Zeitschrift für physikalische Chemie

1889

4

226

248

Бейтсон

В.

Методы и область применения генетики: вступительная лекция, прочитанная 23 октября 1908 г.

1908

Издательство Кембриджского университета

Борода

ДА

Кушмерик

МДж

Строгий вывод для системной биологии

PLOS Вычислительная биология

2009

5

Бекерман

АП

Петчи

ОЛ

Уоррен

РН

Биология собирательства предсказывает сложность пищевой сети

Труды Национальной академии наук

2006

103

13745

13749

Болье

Д

Файрстоун

см

Обещания и опасности больших данных

Аспенский институт.

2010

Коробка

ГЭ

Наука и статистика

Журнал Американской статистической ассоциации

1976

71

791

799

Бреннер

С.

Столетие Тьюринга: сценарий кода жизни

Природа

2012

482

461

Коричневый

ДЖХ

Гиллули

ДжФ

Аллен

АП

Дикарь

ВМ

Запад

ГБ

К метаболической теории экологии

Экология

2004

85

1771

1789

Чарнов

Эл.

Оптимальный поиск пищи: теорема о предельной ценности

Теоретическая популяционная биология

1976

9

129

136

Коэн

JE.

Математика — следующий микроскоп биологии, только лучше; Биология — следующая физика математики, только лучше

ПЛОС Биология

2004

2

Дофрен

Т

Хедин

Ло

Сосуществование растений зависит от круговорота питательных веществ в экосистеме: расширение теории соотношения ресурсов

Труды Национальной академии наук

2005

102

9212

9217

Энквист

БЖ

Экономо

ЕР

Хаксман

ТЭ

Аллен

АП

Игнас

ДД

Гиллули

ДжФ

Масштабирование метаболизма от организмов к экосистемам

Природа

2003

423

639

642

Энквист

БЖ

Керхофф

АДЖ

Старк

СК

Свенсон

НГ

Маккарти

МС

Цена

СА

Общая интегративная модель для масштабирования роста растений, потока углерода и спектров функциональных признаков

Природа

2007

449

218

222

Энквист

БЖ

Запад

ГБ

Коричневый

ДЖХ

Расширения и оценки общей количественной теории структуры и динамики леса

Труды Национальной академии наук

2009

106

7046

7051

Фишер

РА.

Генетическая теория естественного отбора

1930

Кларендон Пресс

Фунтович

СО

Равец

JR

Наука для постнормального возраста

Фьючерсы

1993

25

739

755

Гилберт

Б

Лехович

МДж

Нейтральность, ниши и расселение в подлеске умеренного леса

Труды Национальной академии наук

2004

101

7651

7656

Гиллули

ДжФ

Коричневый

ДЖХ

Запад

ГБ

Дикарь

ВМ

Чарнов

ЭЛ

Влияние размера и температуры на скорость метаболизма

Наука

2001

293

2248

2251

Гиллули

ДжФ

Аллен

АП

Запад

ГБ

Коричневый

ДЖХ

Скорость эволюции ДНК: влияние размера тела и температуры на молекулярные часы

Труды Национальной академии наук

2005

102

140

145

Гинзбург

ЛР

Дженсен

КСДЖ

Эмпирические правила оценки экологических теорий

Тенденции в экологии и эволюции

2004

19

121

126

Говаты

ПА

Хаббелл

СП

Эволюционные причины неудачных спариваний и множественных спариваний

Entomologia Experimentalis et Applicata

2013

146

11

25

Говаты

ПА

Леннарц

МР

Соотношение полов птенцов и слетков дятлов с красными кокардами ( Picoides borealis ) в пользу самцов

Американский натуралист

1985

126

347

353

Галлей

ДжМ

Иваса

Д

Нейтральная теория как предсказатель вымирания орнитофауны после утраты среды обитания

Труды Национальной академии наук

2011

108

2316

2321

Харт

Дж.

К синтезу ньютоновского и дарвиновского мировоззрений

Физика сегодня

2002

55

29

34

Харт

Дж.

Максимальная энтропия и экология: теория изобилия, распределения и энергетики

2011

Издательство Оксфордского университета

Харт

Дж

Зиллио

Т

Конлиск

Е

Смит

АБ

Максимальная энтропия и подход переменных состояния к макроэкологии

Экология

2008

89

2700

2711

Харт

Дж

Смит

АБ

Сторч

Д

Масштабы биоразнообразия от участков до биомов с универсальной кривой вид-площадь

Письма об экологии

2009

12

789

797

Хайдеггер

М.

Крелл

ДФ

Современная наука, метафизика и математика

Мартин Хайдеггер: основные сочинения

1977

Харпер и Роу

247

282

Хаббелл

СП.

Единая нейтральная теория биоразнообразия и биогеографии

2001

Издательство Принстонского университета

Джейнс

по восточному времени.

Обоснование методов максимальной энтропии

Труды IEEE

1982

70

939

952

Кляйбер

М.

Огонь жизни: введение в энергетику животных

1961

Вили

Коойман

САЛМ.

Динамические балансы энергии и массы в биологических системах

2000

2-е изд.

Издательство Кембриджского университета

Кракауэр

DC

Коллинз

JP

Эрвин

Д

Флэк

ДК

Фонтана

Вт

Лаубихлер

МД

Прохазка

СЖ

Запад

ГБ

Штадлер

ПФ

Проблемы и возможности теоретической биологии

Журнал теоретической биологии

2011

276

269

276

Лаудан

л.

Прогресс и его проблемы: к теории научного роста

1977

Калифорнийский университет Press

Лейболд

млн лет.

Новый взгляд на концепцию ниши: механистические модели и контекст сообщества

Экология

1995

76

1371

1382

Ли

ЭГ

младший

Нейтральная теория: историческая перспектива

Журнал эволюционной биологии

2007

20

2075

2091

Лейонхуфвуд

А.

Модели и теории

Журнал экономической методологии

1997

4

193

198

Лин

Д

Бергер

У

Гримм

В

Хут

Ф

Вайнер

Дж

Взаимодействие растений меняет предсказания теории метаболического масштабирования

ПЛОС ОДИН

2013

8

Лопес-Уррутия

А

Сан-Мартин

Е

Харрис

РП

Иригойен

х

Масштабирование метаболического баланса океанов

Труды Национальной академии наук

2006

103

8739

8744

Макартур

РХ

Левинс

Р

Конкуренция, выбор местообитаний и изменение характера в неоднородной среде

Труды Национальной академии наук

1964

51

1207

1210

Макартур

РХ

Пианка

ЕР

Об оптимальном использовании пятнистой среды

Американский натуралист

1966

100

603

609

Марке

ПА

Лабра

ФА

Маурер

ВА

Метаболическая экология: связь людей с экосистемами

Экология

2004

85

1794

1796

май

РМ.

Использование и злоупотребление математикой в ​​биологии

Наука

2004

303

790

793

Миллер

ТЭ

Бернс

ДЖХ

Мунгия

Р

Уолтерс

ЭЛ

Кнайтель

ДжМ

Ричардс

вечера

Мукет

Н

Бакли

ГЛ

Критический обзор двадцатилетнего использования теории соотношения ресурсов

Американский натуралист

2005

165

439

448

Морлон

Х

и другие.

Распределение обилия видов за пределами отдельных особей

Письма об экологии

2009

12

488

501

Нагель

Э.

Структура науки: проблемы логики научного объяснения

1961

Нисбет

ринггита

ринггита

Мюллер

ЭБ

Лика

К

Коойман

САЛМ

От молекул к экосистемам через модели динамического энергетического баланса

Журнал экологии животных

2000

69

913

926

Нонакс

С.

Поведение, зависящее от состояния, и теорема о предельной ценности

Поведенческая экология

2001

12

71

83

[NRC] Национальный исследовательский совет

Роль теории в развитии биологии 21-го века: катализатор трансформационных исследований

2008

Пресса национальных академий

О’Дуайер

JP

Озеро

ДжК

Остлинг

А

Дикарь

ВМ

Зеленый

ДжЛ

Интегративная структура для стохастического, структурированного по размеру собрания сообщества

Труды Национальной академии наук

2009

106

6170

6175

Петерс

РХ.

Критика экологии

1991

Издательство Кембриджского университета

Пикет

СТ

Коласа

Дж

Джонс

КГ

Экологическое понимание: природа теории и теория природы

1994

Академическая пресса

Платт

мл.

Сильный вывод

Наука

1964

146

347

353

Пайк

ГХ.

Теория оптимального поиска пищи: критический обзор

Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики

1984

15

523

575

Рельсбэк

СФ

Гримм

В

Агентное и индивидуальное моделирование: практическое введение

2012

Издательство Принстонского университета

Робинзон

Вт

Петерс

РХ

Циммерманн

Дж

Влияние размера тела и температуры на скорость метаболизма организмов

Канадский журнал зоологии

1983

61

281

288

Розинделл

Дж

Корнелл

СЖ

Кривые видов-площадей, нейтральные модели и расселение на большие расстояния

Экология

2009

90

1743

1750

Рюгер

Н

Состояние

Р

Проверка метаболической теории с использованием моделей роста деревьев, включающих легкую конкуренцию

Функциональная экология

2012

26

759

765

Дикарь

ВМ

Гиллули

ДжФ

Коричневый

ДЖХ

Запад

ГБ

Чарнов

ЭЛ

Влияние размеров тела и температуры на рост населения

Американский натуралист

2004

163

429

441

Шайнер

СМ

Виллиг

МР

Общая теория экологии

Теоретическая экология

2008

1

21

28

Шайнер

СМ

Виллиг

МР

Теория экологии

2011

Чикагский университет Press

Симберлофф

Д.

Экология сообщества: пора двигаться дальше?

Американский натуралист

2004

163

787

799

Сибли

ринггита

ринггита

Коричневый

ДЖХ

Кодрик-Браун

А

Метаболическая экология: масштабный подход

2012

Уайли-Блэквелл

Спатц

HC.

Кровообращение, скорость метаболизма и размер тела у млекопитающих

Журнал сравнительной физиологии B

1991

161

231

236

Тилман

Д.

Конкурс ресурсов и структура сообщества

1982

Издательство Принстонского университета

Тилман

Д

Хилле Рис Ламберс

Дж

Харпол

С

Дыбзинский

Р

Фарджионе

Дж

Кларк

С

Леман

С

Применяется ли метаболическая теория к экологии сообщества? Дело в масштабе

Экология

2004

85

1797

1799

Волков

я

Банавар

JR

Он

Ф

Хаббелл

СП

Маритан

А

Зависимость от плотности объясняет обилие и разнообразие видов деревьев в тропических лесах

Природа

2005

438

658

661

Запад

ГБ

Значение количественного системного мышления в медицине

Ланцет

2012

379

1551

1559

Запад

ГБ

Мудрость в цифрах

Научный американец

2013

308

14

Запад

ГБ

Коричневый

ДЖХ

Происхождение законов аллометрического масштабирования в биологии от геномов к экосистемам: к количественной объединяющей теории биологической структуры и организации

Журнал экспериментальной биологии

2005

208

1575

1592

Запад

ГБ

Коричневый

ДЖХ

Энквист

БЖ

Общая модель происхождения аллометрических законов масштабирования в биологии

Наука

1997

276

122

126

Запад

ГБ

Коричневый

ДЖХ

Энквист

БЖ

Общая модель онтогенетического роста

Природа

2001

413

628

631

Вигнер

ЭП.

Необоснованная эффективность математики в естественных науках

Коммуникации по чистой и прикладной математике

1960

13

1

14

Уильямс

Р.

Простые модели MaxEnt объясняют распределение степени пищевой сети

Теоретическая экология

2010

3

45

52

© Автор(ы) 2014.Опубликовано Oxford University Press от имени Американского института биологических наук. Все права защищены. Для разрешений, пожалуйста, по электронной почте: [email protected]

20 Основные понятия и принципы экологии

Основные понятия и принципы экологии!

Существуют определенные основные фундаментальные экологические принципы, которые описывают различные аспекты живых организмов, например. эволюция и распространение растений и животных, вымирание видов, потребление и перенос энергии в различных компонентах биологических сообществ, круговорот и рециркуляция органических и неорганических веществ, взаимодействия и взаимосвязи между организмами и между организмами и физической средой и т. д.

Некоторые важные фундаментальные понятия и принципы экологии с точки зрения экосистемы могут быть изложены следующим образом:

1. Экосистема – это фундаментальная хорошо структурированная и организованная единица, объединяющая физическую среду и живые организмы в единое целое. структура, которая облегчает изучение взаимодействий между биотическими и абиотическими компонентами. Экосистемы также являются функциональными единицами, в которых основное значение имеют два биотических компонента, а именно автотрофный и гетеротрофный компоненты.

2. Биотические и абиотические компоненты биосферной экосистемы тесно связаны посредством ряда крупномасштабных циклических механизмов, которые способствуют переносу энергии, воды, химических веществ и отложений в различных компонентах биосферы.

3. Устойчивая жизнь на Земле является характеристикой экосистемы, а не отдельных организмов или популяций (Боткин Д.Б., Келлер Э.А., 1982).

4. В 1974 г. М. Дж. Холлиман предложил четыре экологических принципа для описания целостного характера природной среды, которые в значительной степени влияют на биологические сообщества в биосферной экосистеме.

Различные принципы заключаются в следующем:

(i) На самом деле ничто не исчезает, когда мы что-то выбрасываем, потому что все материалы перестраиваются, перерабатываются и перерабатываются по ряду циклических путей в естественной среде.

(ii) Все системы и проблемы в конечном счете если не тесно, то взаимосвязаны. Он не вызывает споров о том, какой из кризисов наиболее актуален. Мы не можем позволить себе роскошь решать проблемы одну за другой, что в любом случае является устаревшим и экологически невыгодным.

(iii) Мы живем на планете Земля, ресурсы которой ограничены.

(iv) Природа потратила буквально миллионы лет на усовершенствование стабильной экосистемы.

5. По данным Д.Б. Боткина и Е.А. Keller (1982) физические и биологические процессы следуют принципу униформизма. Этот принцип утверждает, что одни и те же физические (с момента возникновения планеты, Земли и ее атмосферы) и биологические (с момента возникновения первого организма) процессы, которые действуют сегодня, действовали в прошлом, не обязательно с постоянной величиной и частотой во времени и будут будут работать в будущем, но со скоростью, которая будет меняться в зависимости от воздействия человеческой деятельности на окружающую среду.

6. Стихийные бедствия отрицательно воздействуют на биологические сообщества в целом и человека в частности, когда биологические процессы связаны с природными опасностями, но при этом создаются серьезные опасности.

7. Все живые организмы и физическая среда взаимореактивны. Различная степень взаимодействия между организмами как на межвидовом, так и на внутривидовом уровне бывает положительной, отрицательной, а иногда и нейтральной.

8. Солнечная радиация является основной движущей силой экосистемы и улавливается зелеными растениями в процессе фотосинтеза.Поток энергии в экосистеме однонаправленный и нециклический. Поток энергии экосистемы (энергетика) помогает экосистеме. Структура энергии и поток энергии регулируются законами термодинамики.

9. Энергия передается с одного трофического уровня на следующий более высокий трофический уровень, но организмы на более высоких трофических уровнях получают энергию более чем с одного трофического уровня.

10. Р. Л. Линдеруан (1942) предложил некоторые принципы взаимоотношений между трофическими уровнями в пределах природной экосистемы.

(i) Принцип-1:

С увеличением расстояния между организмами данного трофического уровня и исходным источником энергии уменьшается вероятность зависимости организмов исключительно от предшествующего трофического уровня в отношении энергии.

(ii) Принцип-2:

Относительная потеря энергии из-за дыхания прогрессивно больше к более высоким трофическим уровням, потому что виды на более высоких трофических уровнях, будучи относительно большими по размеру, должны двигаться и работать для получения пищи и, следовательно, при дыхании теряется больше энергии.

(iii) Принцип-3:

Виды с прогрессивно более высокими трофическими уровнями, по-видимому, все более эффективно используют имеющиеся у них пищевые ресурсы, поскольку усиление активности хищников увеличивает их шансы на встречу с подходящей добычей и хищниками в целом. менее специфичны, чем их добыча, в пищевых предпочтениях.

(iv) Принцип-4:

Более высокие трофические уровни, как правило, менее дискретны, чем более низкие, потому что организмы на более высоких трофических уровнях получают энергию из более чем одного источника и являются универсальными в своих пищевых привычках, и они более эффективно использовать имеющиеся у них продукты питания.

(v) Принцип-5:

Пищевые цепи, как правило, достаточно короткие. Четыре вертикальных звена — это общий максимум, потому что потеря энергии становится все выше на более высоких трофических уровнях, а виды на более высоких уровнях, как правило, менее дискретны.

11. Неорганические и органические вещества циркулируют между различными компонентами биосферы посредством ряда замкнутых систем циклов, известных под общим названием биогеохимических циклов.

12. Продуктивность экосистемы зависит от двух факторов:

(i) Доступность количества солнечной радиации первичным продуцентам на трофическом уровне-I.

(ii) Эффективность установок по преобразованию солнечной энергии в химическую.

Отмечена положительная корреляция между первичной продуктивностью и солнечной радиацией.

13. В природной экосистеме имеется встроенный механизм саморегуляции, известный как гомеостатический механизм, посредством которого любое изменение, вызванное внешними факторами в экосистеме, уравновешивается реакцией системы на изменение таким образом, что в конечном итоге экосистема или экологическая стабильность восстанавливаются.Экологическое разнообразие и сложность повышают устойчивость окружающей среды или экосистемы.

Экологическая стабильность может быть достигнута следующими способами:

(i) Согласно К. С. Элтону (1958), увеличение разнообразия пищевых сетей способствует стабильности экосистемы.

(ii) Согласно P. H. MacArthur (1955), устойчивость экосистемы возрастает с увеличением числа звеньев в пищевой сети.

(iii) Согласно Е.П. Одум (1971), высокое видовое разнообразие зрелой экосистемы, представляющей климаксное сообщество, связано с большей устойчивостью природной экосистемы.

14. Нестабильность экосистемы возникает, когда экосистема становится неспособной приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

15. Согласно Чарльзу Дарвину (1859 г.), эволюция видов олицетворяет динамическую природу экосистемы.

16. Концепция Дарвина о прогрессивной эволюции видов была впоследствии оспорена Деврисом, и была предложена новая концепция мутации. Мутация — это процесс спонтанного эволюционного изменения, который приводит к наследственным вариациям видов.

Т. Добжанский (1950) высказал следующие идеи относительно мутации:

(i) Процесс мутации дает сырье для эволюции.

(ii) Во время полового размножения образуются многочисленные модели генов.

(iii) Обладатели некоторых генных паттернов имеют большую приспособленность, чем обладатели других паттернов в доступной среде.

(iv) Частота паттернов высших генов увеличивается в процессе естественного отбора, в то время как паттерны низших генов подавляются.

(v) Группы некоторых комбинаций с доказанной адаптивной ценностью выделяются в закрытую генетическую систему, называемую видами.

17. Переходные этапы последовательных изменений от одного растительного сообщества к другому растительному сообществу называются «сере». Серия завершается, когда сукцессия растительного сообщества после прохождения различных фаз достигает кульминации в равновесном состоянии. Растительное сообщество, развившееся в конце сукцессии, называется «климаксная растительность», «климаксное сообщество» или «климакс-климакс».’

18. Помимо сукцессии сообщества, экосистема также претерпевает процесс сукцессионных изменений. Существуют две фундаментальные идеи относительно процесса последовательных изменений.

(i) По данным Е.П. Odum (1962), экологическая сукцессия является одним из наиболее важных процессов, возникающих в результате изменения окружающей среды сообществом, (ii) согласно RH Whittaker (1953), последовательное развитие экосистемы характеризуется четырьмя основными изменениями в экосистеме, а именно.

(a) Постепенное увеличение сложности и разнообразия сообщества;

(b) Постепенное увеличение структуры и продуктивности экосистемы;

(c) Повышение зрелости почвы;

(d) Повышение относительной стабильности и регулярности популяций в пределах экосистемы и стабильности самой экосистемы.

19. Экосистема в основном видоизменяется человеком за счет эксплуатации природных ресурсов. Человек уменьшает экологическое разнообразие и сложность, удаляя множество биотических связей.

20. Сохранение разнообразия в мире с быстро сокращающимися ресурсами потребует быстрого и универсального реагирования на надлежащее применение экологических знаний.

Загрузите и поделитесь своей статьей:

Баланс между понятиями и сложностью в экологии

  • Лакофф, Г. Окружающая среда. коммун. 4 , 70–81 (2010).

    Артикул Google ученый

  • Фишер, Дж., Ritchie, E.G. & Hanspach, J. Trends Ecol. Эвол. 27 , 473–474 (2012).

    Артикул Google ученый

  • Лоу-Декари, Э., Чиверс, К. и Гранадос, М. Фронт. Экол. Окружающая среда. 12 , 412–418 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Turnhout, E., Neves, K. & de Lijster, E. Окружающая среда. План.А 46 , 581–597 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Daily, G.C., Söderqvist, T., Aniyar, S. & Arrow, K. Science 289 , 395–396 (2000).

    КАС Статья Google ученый

  • Turnhout, E., Waterton, C., Neves, K. & Buizer, M. Conserv. лат. 6 , 154–161 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Гантон Р.М. и др. Тренды Экол. Эвол. 32 , 249–257 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Silvertown, J. Trends Ecol. Эвол. 30 , 641–648 (2015).

    Артикул Google ученый

  • Carrasco, L.R., Nghiem, T.P.L., Sunderland, T. & Koh, L.P. Biol. Консерв. 178 , 163–170 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Harwood, J. & Stokes, K. Trends Ecol. Эвол. 18 , 617–622 (2003).

    Артикул Google ученый

  • Ascough, J.C.II., Maier, H.R., Ravalico, J.K. & Strudley, M.W. Ecol. Модель. 219 , 383–399 (2008).

    Артикул Google ученый

  • Пошевиль, А. Справочник по эволюционному мышлению в науках . (редакторы Heams, T., Huneman, P., Lecointre, G., Silberstein, M.) 547–586 (Springer: Dordrecht, 2014).

  • Hey, J., Waples, R.S., Arnold, M.L., Butlin, R.K. & Harrison, R.G. Trends Ecol. Эвол. 18 , 597–603 (2003).

    Артикул Google ученый

  • Sagoff, M. Biol. Филос. 18 , 529–552 (2003).

    Артикул Google ученый

  • Стирлинг, А. Природа 468 , 1029–1031 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Pyke, G. H. Trends Ecol. Эвол. 32 , 391–394 (2017).

    Артикул Google ученый

  • ЮНЕП и коренные народы: партнерство в заботе об окружающей среде (Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, Найроби, Кения, 2012 г.).

  • Кетц Т., Фаррелл К. Н. и Бриджуотер П. Междунар. Окружающая среда. Соглашения 12 , 1–21 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Вормс, Н.в Новая Арктика . (ред. Эвенгард, Б., Найманд Ларсен, Дж. и Пааше, Ø) 291–301 (Springer: Cham, 2015).

  • Evans, M.C., Davila, F., Toomey, A. & Wyborn, C. Nat. Экол. Эвол. 1 , 1855 (2017).

    Google ученый

  • Sutherland, WJ & Wordley, CFR Nat. Экол. Эвол. 1 , 1215–1216 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Мальм, А.и Хорнборг, А. Anthropocene Rev. 1 , 62–69 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Боргстрем С., Бодин О., Сандстрём А. и Крона Б. AMBIO 44 , 357–369 (2015).

    Артикул Google ученый

  • Голова, л. Нац. Растения 3 , 17075 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Стоянович Т. и др. Экол. соц. 21 , 15 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Fabinyi, M., Evans, L. & Foale, S. J. Ecol. соц. 19 , 28 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Ясанофф, С. Закон о контемп. Пробл. 69 , 21–45 (2006).

    Google ученый

  • Latour, B Наука в действии . (Harvard Univ. Press: Кембридж, Массачусетс, США, 1988.

    Google ученый

  • ОБЗОР ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ, РАССМАТРИВАЕМЫХ В

    ОБЗОР ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ, ОХВАЧЕННЫХ В

    ОБЗОР ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОНЯТИЯ, ОХВАЧЕННЫЕ В

     

    Читаю это список тем/концепций/лексики, которые мы рассмотрели на уроке. В качестве хорошего учебного пособия предоставьте себе с 1) определением или объяснением темы и, если применимо, 2) в хотя бы один (лучше 2 или более) реальных (не теоретических) примеров этого принцип, который вы усвоили из занятий, экскурсий, своего учебника (это отличный ресурс!), или ваш собственный опыт. Этот список не является исчерпывающим учебным пособием, и экзамены будут не ограничиваться этими темами; тем не менее, я надеюсь, что это даст вам рамки, которые помогут вам хорошо запомнить эти темы в будущем!

     

    Общий: 

    1. Уровни Экологическая организация: Организм (физиология и поведение), население, сообщество, Экосистема, Пейзаж, Биосфера
    2. Царства жизни чем эти организмы зарабатывают на жизнь: чем они питаются (источник углерода) и откуда берут их энергия?
    3. Жизнь на Земле есть контролируемые окислительно-восстановительными реакциями
    4. Естественный отбор
    5. Эволюция
    6. Фитнес
    7. Ниша
    8. Экологический оптимум и место для занятий
    9. Экологический изменение в пространстве и времени
    10. Фенотипический пластичность
    11. Акклиматизация vs. Адаптация
    12. История жизни стратегии: плодовитость, срок погашения и паритет
    13. Репродуктивная стратегии: бесполое и половое размножение, гермафродитизм, соотношение полов
    14. Репродуктивная стратегии: системы спаривания (распущенность, полигамия, моногамия)
    15. Половой диморфизм, половой отбор и принцип гандикапа

     

    Экосистемы, Микроорганизмы и круговорот питательных веществ:

     

    1. Обмен энергией через пищевые сети: экологическая эффективность
    2. Вода, углерод, циклы азота и фосфора
    3. Разложение: механизмы, реагенты и продукты
    4. Абиотик (климат, свойства почвы) и биотический (качество подстилки) контроль разложения
    5. Уход за почвой плодородие: климат, растительность, организмы, исходный материал, время (CLORPT)
    6. Эвтрофикация
    7. Круговорот питательных веществ и перемешивание в водных системах
    8. Грибковое растение симбиозы

     

    Абиотик Окружающая среда:

     

    1. Климат: глобальные закономерности
    2. Атмосферный Тираж: глобальный и местный
    3. Океан Тираж: глобальный и местный
    4. Климат в водной среде системы : Озера
    5. Топография: климат, движение воды/питательных веществ
    6. Почва развитие: выветривание и снабжение растений питательными веществами

     

    Растения:

     

    1. Фотосинтез: преимущества и компромиссы между C3, C4 и САМ-пути
    2. Дыхание
    3. Контроль брутто и чистая первичная продукция: вода, свет и питательные вещества
    4. Питательные вещества и вода поглощение
    5. Рост растений требования: свет, Питательные вещества, вода, CO 2
    6. Питательные вещества для растений доступность в экосистемах
    7. Стратегии для поддержание гомеостаза: морфологические стратегии поддержания тепла и осмотический баланс
    8. Стратегии для максимизация приспособленности: как растения максимизируют ресурсы (питательные вещества, свет, воду, свет, и CO 2 ) получить и минимизировать потери ресурсов (адаптация и акклиматизация)
    9. Вариация производства эффективность

     

     

    Животные:

     

    1. Стратегии для поддержание гомеостаза: поведенческие стратегии поддержания тепла баланс: движение, миграция, покой и хранение
    2. Стратегии для максимизация приспособленности: как животные максимизируют прирост ресурсов (еды и воды) и свести к минимуму потерю ресурсов (через адаптацию и акклиматизацию): поиск пищи и сохранение воды стратегии (оптимальный поиск пищи, смена добычи)
    3. Изменение в эффективность производства
    4.  

     

    Экологический Сложность: влияние человека деятельность по экологическим системам

     

    1. Изменение климата
    2. Выпас скота
    3. Сельское хозяйство
    4. Загрязнение воздуха, включая кислотные дожди и осаждение азота
    5. Охота/рыбалка
    6. Среда обитания фрагментация
    7. Урбанизация
    8. Инвазивные виды
    9. Дороги

     

    Население Экология

     

    1. Причины состав населения: сгруппированные, случайные, с интервалом
    2. Патч динамики
    3. Идеал бесплатно распространение и отклонения от него
    4. Метка-захват-освобождение и использует
    5. Географический диапазон и дальность разгона
    6. Экспоненциальный, геометрический и логистический рост населения: уравнения и значение
    7. Возрастные структуры и раздача
    8. Таблицы дожития и важные регуляторы возрастного распределения в популяциях
    9. Время удвоения
    10. Грузоподъемность
    11. Зависит от плотности факторы у животных и растений
    12. Источники генетических вариант
    13. Харди-Вайнберг равновесие и отклонения от него
    14. Причины и следствия генетического дрейфа, события-основатели, узкие места в популяции, инбридинг, географическая изоляция
    15. Генетический последствия стабилизирующего и направленного отбора

     

    Сообщество Экология

     

    1. Морфологический, химические и поведенческие адаптации жертв (включая растения)
    2. Паразит-хозяин взаимодействия
    3. Защитные составы у растений: причины, последствия и компромиссы
    4. Эффекты травоядность/паразитизм/хищничество в отношении структуры сообщества и биоразнообразия
    5. Причины и последствия колебаний хищник-жертва
    6. Предположения сосуществование хищник-жертва
    7. Динамика Модель Лотки-Вольтерры: тесты и модификации
    8. Модели для соревнований и теории сосуществования видов
    9. Ресурсы vs. модуляторы окружающей среды
    10. Ограничение против. неограниченные ресурсы
    11. Конкурентоспособный принцип исключения
    12. Эксплуатация и Интерференционная конкуренция у растений и животных
    13. Промежуточный уровень гипотеза возмущения
    14. Влияние хищники на конкурентных взаимодействиях
    15. Динамика внутривидовая и межвидовая конкуренция
    16. Совместная эволюция и влияние на генотипическую изменчивость
    17. Мутуализм
    18. Целостный против.индивидуалистическая/континуальная концепция структуры сообщества
    19. видов против. функциональное разнообразие
    20. Видовое богатство, разнообразие, обилие, доминирование, редкие виды
    21. Экотон
    22. Пищевые сети и экологическая стабильность
    23. краеугольных камней и хищники
    24. Сверху вниз и снизу повышающая регуляция трофической динамики
    25. Видовая площадь отношения
    26. Кульминация, Первичный vs. вторичная сукцессия, признаки растений и животных в пределах каждого
    27. Размер зазора и последовательность
    28. Упрощение, толерантность и ингибирование

     

    Биоразнообразие и биогеография

     

    1. Способы увеличения биоразнообразие в экосистемах
    2. Бета разнообразие, ширина ниши, пространство ниши, перекрытие ниши и разнообразие ниши,
    3. Сортировка видов
    4. Функциональный vs.реализованная ниша
    5. Теория равновесия островной биогеографии и использования в континентальных системах
    6. Эффекты хищники, травоядные, возбудители, нарушение, разрывная динамика, на биоразнообразие
    7. Конвергентный эволюция
    8. Зарождение жизни на Земля и геологическое время
    9. Континентальный дрейф
    10. Изменение климата закончилось геологическое время
    11. Спецификация на континенты
    .

    Author: alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.