Екологія - Що вивчає екологія?

Екологія, вивчення взаємозв’язків між організмами та середовищем їх існування . Деякі з найактуальніших проблем людського життя — зростання чисельності населення, нестача їжі, забруднення навколишнього середовища, включаючи глобальне потепління, вимирання видів рослин і тварин, а також усі супутні соціологічні та політичні проблеми — значною мірою є екологічними.

Зміст

Що таке екологія
Історична довідка
Напрями навчання
Методи в екології
Що вивчає екологія

Що таке екологія

Екологія – це наука, що вивчає взаємозв’язки живих організмів між собою та з навколишнім середовищем. Її дослідження охоплюють широкий спектр рівнів, від окремих організмів до цілих екосистем, таких як ліси, луки, океани та біосфера.

Ось деякі з ключових аспектів, які вивчає екологія:

Взаємодія живих організмів з середовищем: Це включає вивчення того, як живі істоти адаптуються до різних умов середовища, таких як температура, вода, їжа, хижаки та конкуренти.
Структура та функціонування екосистем: Екологи досліджують, як різні види живих істот взаємодіють один з одним і з неживими компонентами середовища, формуючи стійкі екосистеми.
Потоки енергії та речовини: Екологія вивчає, як енергія та поживні речовини перетікають через екосистеми, підтримуючи життя та функціонування екосистем.
Зміна екосистем: Екологи досліджують, як екосистеми змінюються з часом під впливом природних та антропогенних факторів, таких як зміна клімату, забруднення та вирубка лісів.
Вплив людини на довкілля: Екологія досліджує, як людська діяльність впливає на планету, і шукає шляхи зменшення цього впливу та збереження довкілля.

Екологія має велике значення для розуміння світу, в якому ми живемо, і для прийняття рішень щодо збереження довкілля. Вона може допомогти нам вирішити такі проблеми, як зміна клімату, забруднення, втрата біорізноманіття та деградація земель.

Ось декілька прикладів того, як екологія використовується в реальному житті:

Охорона природи: Екологи розробляють плани та стратегії для захисту endangered species and ecosystems.
Управління природними ресурсами: Екологи досліджують, як стійко використовувати природні ресурси, такі як вода, ліси та риба.
Сільське господарство: Екологи допомагають фермерам розробляти екологічно чисті практики ведення сільського господарства, які мінімізують вплив на довкілля.
Охорона здоров’я: Екологи досліджують зв’язок між довкіллям і здоров’ям людини, щоб допомогти зменшити ризики, пов’язані із забрудненням та іншими факторами.

Екологія – це динамічна та міждисциплінарна наука, яка має вирішальне значення для нашого розуміння та захисту планети.

Слово «екологія» було введено німецьким зоологом Ернстом Геккелем, який застосував термін « екологія» до «відношення тварин як до органічного, так і до неорганічного середовища». Слово походить від грецького oikos , що означає «господарство», «дім» або «місце для проживання». Таким чином, екологія має справу з організмом і його середовищем. Поняття середовища включає як інші організми, так і фізичне оточення. Він передбачає стосунки між особинами всередині популяції та між особинами різних популяцій. Ці взаємодії між особинами, між популяціями та між організмами та їх середовищем утворюють екологічні системи, або екосистеми. Екологію по-різному визначають як «вивчення взаємозв’язків організмів із середовищем існування та один з одним», як «економіку природи» та як «біологію екосистем ».

Історична довідка

Екологія не мала твердих початків. Вона розвинулася, зокрема, з природної історії стародавніх греків Теофраст, друг і соратник Аристотеля. Теофраст вперше описав взаємовідносини між організмами, а також між організмами та їх неживим середовищем. Пізніше основи сучасної екології були закладені в ранніх роботах фізіологів рослин і тварин.

На початку та в середині 1900-х дві групи ботаніків, одна в Європі та інша в Сполучених Штатах, вивчали рослинні спільноти з двох різних точок зору. Вивченням складу , будови і розподілу рослинних угруповань займалися європейські ботаніки. Американські ботаніки вивчали розвиток рослинних угруповань, або сукцесії. Екологія рослин і тварин розвивалася окремо, поки американські біологи не підкреслили взаємозв’язок рослинних і тваринних спільнот як біотичного цілого.

У цей же період розвивалася зацікавленність в динаміці популяції. Особливого поштовху вивчення динаміки народонаселення отримало на початку XIX ст., після того, як англійський економіст Томас Мальтус звернув увагу на конфлікт між зростанням населення та здатністю Землі постачати їжу. У 1920-х роках американський зоолог Реймонд Перл, американський хімік і статистик Альфред Дж. Лотка та італійський математик Віто Вольттера розробили математичні основи для вивчення популяцій, і ці дослідження призвели до експериментів із взаємодії хижаків і здобичі, конкурентних відносин між видами та регулювання популяцій. Дослідження впливу поведінки на популяції були стимульовані визнанням у 1920 році територіальності гніздових птахів. Концепції інстинктивної та агресивної поведінки були розроблені австрійським зоологом Конрадом Лоренцом і британським зоологом голландського походження Ніколасом Тінбергемом, а роль соціальної поведінки в регуляції популяцій досліджувала британський зоолог Веро Вінн-Едвардс.

У той час як одні екологи вивчали динаміку спільнот і населення, інші були стурбовані енергетичними бюджетами. У 1920 роціАвгуст Тіенеман, німецький біолог з прісноводних вод, ввів концепцію трофічних, або живильних, рівнів, за допомогою яких енергія їжі передається через ряд організмів від зелених рослин (виробників) до кількох рівнів тварини (споживачі). Англійський еколог Чарльз Елтон (1927) розвинув цей підхід, використовуючи концепцію екологічних ніш і пірамід чисел. У 1930-х роках американські прісноводні біологи Едвард Бірдж і Ченсі Джудей, вимірюючи енергетичний бюджет озер, розвинули ідею первинна продуктивність, швидкість, з якою харчова енергія генерується або фіксується фотосинтезом. У 1942 році Реймонд Л. Ліндеман зі Сполучених Штатів розробив трофіко-динамічну концепцію екології, яка детально описує потік енергії через екосистему. Кількісні польові дослідження енергетичні потоки через екосистеми були далі розроблені братами Юджином Одумом і Говардом Одумом зі Сполучених Штатів.

Вивчення як потоку енергії, так і кругообігу поживних речовин стимулювалося розробкою нових матеріалів і методів — радіоізотопних індикаторів, мікрокалориметрії, інформатики та прикладної математики, — що дозволило екологам позначати, відстежувати та вимірювати рух певних поживних речовин і енергії через екосистеми. Ці сучасні методи сприяли новому етапу в розвитку екології—системна екологія, яка вивчає структуру та функції екосистем.

Напрями навчання

Екологія обов’язково є об’єднанням багатьох галузей дослідження, оскільки її визначення настільки всеохоплююче. Між організмами та навколишнім середовищем існує багато видів взаємовідносин . Під організмами можна розуміти окремих особин, групи особин, усіх членів одного виду, сукупність багатьох видів або загальну масу видів ( біомасу ) в екосистемі. Термін « довкілля» включає не лише фізичні та хімічні особливості, а й біологічне середовище, яке охоплює ще більше організмів.

На практиці екологія складається з широко збігаються підходів і далі поділяється на групи видів, які потрібно вивчати. Наприклад, є багато тих, хто спеціалізується на « екології поведінки птахів». Основні підходи поділяються на наступні класи.

Еволюційна екологія вивчає фактори навколишнього середовища, які стимулюють адаптацію видів. Дослідження еволюції видів можуть шукати відповідь на питання про те, як популяції генетично змінювалися протягом кількох поколінь, але не обов’язково намагатися дізнатися, які механізми можуть бути в основі. Еволюційна екологія шукає ці механізми. Так, у відомому прикладі в перцевої молі, популяції в промислово розвиненому англійському Мідлендсі змінювалися протягом поколінь від крил, забарвлених здебільшого до сірувато-білого кольору з чорними плямами, до крил, які були переважно чорними. Екологічний механізм полягав у хижацтві — птахи легко виявляли світлих метеликів на фоні стовбурів дерев, затемнених промисловим забрудненням, тоді як темнокольорових метеликів, як правило, не виявляли.

Еволюційна екологія також розглядає ширші питання, такі як спостереження про те, що рослини в посушливих середовищах часто не мають листя або вони дуже маленькі, або що деякі види птахів мають помічників у гнізді — особин, які вирощують дитинчат, а не своїх. Критичне питання для досліджуваного полягає в тому, чи набір адаптпцій виник один раз і просто зберігся всіма видами, що походять від спільного предка, що має ці адаптації, чи ці адаптації розвивалися неодноразово через ті самі чинники середовища. У випадку рослин, які живуть у посушливих середовищах, кактуси з Нового Світу та молочай зі Старого Світу можуть виглядати разюче схожими, навіть якщо вони належать до неспоріднених сімейств рослин.

Фізіологічна екологія запитує, як організми виживають у своєму середовищі. Часто акцент робиться на екстремальних умовах, таких як дуже холодне або дуже гаряче середовище або водне середовище з надзвичайно високою концентрацією солі. Приклади питань, які він може досліджувати: як деякі тварини процвітають у найпосушливіших пустелях, де температура часто висока, а вільна вода недоступна? Як бактерії виживають у гарячих джерелах, таких як ті, що в Єллоустонському на заході Сполучених Штатів, які могли б готувати більшість видів? Як живуть нематоди в ґрунтах сухих долин Антарктиди? Фізіологічна екологія розглядає спеціальні механізми, які особини виду використовують для функціонування, і обмеження видів, які накладають середовище.

Екологія поведінки вивчає екологічні фактори, які керують адаптацією поведінки. Суб’єкт розглядає, як люди знаходять їжу та уникають ворогів. Наприклад, чому одні птахи мігрують, а інші залишаються постійними? Чому деякі тварини, наприклад леви, живуть групами, тоді як інші, наприклад тигри, здебільшого поодинці?

Популяційна екологія, або аутекологія, вивчає окремі види. Одне безпосереднє питання, яке розглядає тема, полягає в тому, чому одні види рідкісні, а інші поширені. Взаємодія з іншими видами може дати деякі відповіді. Наприклад, вороги виду можуть обмежити його чисельність, і ці вороги включають хижаків, хвороботворні організми та конкурентів, тобто інші види. Отже, популяційна екологія має невизначені межі з екологією громади, предметом, який вивчає взаємодію між кількома або багатьма видами. Популяційна екологія запитує, що спричиняє коливання чисельності. Чому, наприклад, чисельність деяких видів, як правило, птахів і ссавців, змінюється, можливо, втричі або вчетверо за десятиліття або близько того, тоді як чисельність інших видів, як правило, комах, змінюється в десять-сто разів від року до року? Інше ключове питання полягає в тому, що обмежує чисельність, оскільки без обмежень чисельність видів зростатиме експоненціально.

Біогеографія — це наука про географічний розподіл організмів, яка ставить питання, які схожі на питання популяційної екології. Деякі види мають крихітні географічні ареали, обмежені, можливо, лише кількома квадратними кілометрами, тоді як інші види мають ареали, що охоплюють континент. Деякі види мають більш-менш постійні географічні ареали, в той час як інші коливаються, а треті зростають. Якщо вид, який поширюється, є шкідником сільського господарства, хвороботворним організмом або видом, який є переносником хвороби, розуміння причин збільшення ареалу може мати велике економічне значення. Біогеографія також розглядає ареали багатьох видів, запитуючи, чому, наприклад, види з малими географічними ареалами часто зустрічаються в спеціальних місцях, де проживає багато таких видів, а не розкидані випадковим чином по планеті.

Екологія спільноти, або синекологія, розглядає екологію спільнот, набір видів, що зустрічаються в певному місці. Оскільки повний набір видів для конкретного місця зазвичай невідомий, екологія спільнот часто зосереджується на підмножинах організмів, ставлячи питання, наприклад, про рослинні спільноти чи спільноти комах. Фундаментальне питання стосується розміру «набору видів» — тобто, які екологічні чинники визначають кількість видів, присутніх на території. Є багато масштабних візерунків; наприклад, більше видів представлено на великих територіях, ніж на менших, більше на континентах, ніж на островах (особливо віддалених), і більше в тропіках, ніж в Арктиці. Для кожної закономірності є багато гіпотез. Екологічні фактори також спричиняють різноманіття видів у менших масштабах. Наприклад, хоча хижаки можуть бути шкідливими для окремих видів, присутність хижака може фактично збільшити кількість видів, присутніх у спільноті, обмежуючи чисельність особливо успішного конкурента, який інакше міг би монополізувати весь доступний простір або ресурси.

Запитання вище, як правило, стосуються видів на тому самому трофічному рівні — скажімо, рослин у спільноті, або комах, які живляться там рослинами, або птахів, які харчуються комахами там. Проте інший набір питань в екології спільноти включає, скільки трофічних рівнів є в конкретному місці та які фактори обмежують цю кількість.

Екологія збереження прагне зрозуміти, які фактори сприяють вимиранню видів і що люди можуть зробити, щоб запобігти вимиранню. Види, яким загрожує зникнення, часто це види з найменшими географічними ареалами або найменшими розмірами популяцій, але інші екологічні фактори також залучені.

Екосистемна екологія вивчає широкомасштабні екологічні питання, які часто розглядаються не в термінах видів, а в таких показниках, як біомаса, потік енергії та кругообіг поживних речовин. Питання включають, скільки вуглецю поглинається з атмосфери наземними рослинами та морським фітопланктоном під час фотосинтезу та скільки цього споживається травоїдними тваринами, хижаками травоїдних тварин і так далі в харчовому ланцюгу. Вуглець є основою життя, тому ці запитання можна сформулювати в термінах енергії. Скільки їжі потрібно з’їдати щодня, наприклад, можна виміряти за сухою вагою або вмістом калорій. Те саме стосується показників виробництва для всіх рослин в екосистемі або для різних трофічних рівнів екосистеми. Основне питання в екології екосистем полягає в тому, скільки продукції є і які фактори на неї впливають. Не дивно, що теплі, вологі місця, такі як тропічні ліси, створюють більше, ніж надзвичайно холодні чи сухі місця, але важливі інші фактори. Поживні речовини є важливими і можуть бути в обмеженій кількості. Наявність фосфору та азоту часто визначає продуктивність — саме через це ці речовини додають до газонів і культур, — і їх наявність особливо важлива у водних системах. З іншого боку, поживні речовини можуть представляти занадто багато хорошої речі. Діяльність людини змінила глобальні екосистеми таким чином, що збільшується атмосферний вуглекислий газ, джерело вуглецю, а також парниковий газ, і спричиняє надмірний стік добрив у річки, а потім в океан, де вбиває види, які живуть. там.

Методи в екології

Оскільки екологи працюють із живими системами, що мають численні змінні, наукові методи, які використовують фізики, хіміки, математики та інженери, вимагають модифікації для використання в екології. Крім того, ці методи не так легко застосувати в екології, а також результати не такі точні, як ті, що отримані в інших науках. Наприклад, для фізика порівняно просто виміряти отримання та втрату тепла від металів або інших неживих об’єктів, які мають певні константи провідності, розширення, особливості поверхні тощо. Однак , щоб визначити теплообмін між твариною та її середовищем, фізіолог-еколог стикається з низкою змінних, які майже не піддаються кількісному виміру, і зі складним завданням зібрати численні дані та проаналізувати їх. Екологічні вимірювання можуть ніколи не бути такими точними або такими ж легкими для аналізу, як вимірювання у фізиці, хімії чи певних областях біології, які піддаються кількісному вимірюванню .

Незважаючи на ці проблеми, різні аспекти навколишнього середовища можна визначити за допомогою фізичних і хімічних засобів, починаючи від простих хімічних ідентифікацій і фізичних вимірювань і закінчуючи використанням складних механічних пристроїв. Розвиток біостатистики (статистика, що застосовується до аналізу біологічних даних), розробка належного плану експерименту та вдосконалення методів відбору зразків тепер дозволяють використовувати кількісний статистичний підхід до вивчення екології. Через надзвичайні труднощі контролю змінних навколишнього середовища в польових умовах дослідження, що включають використання експериментального плану, здебільшого обмежуються лабораторією та контрольованими польовими експериментами, призначеними для перевірки впливу лише однієї змінної або кількох змінних. Використання статистичних процедур і комп’ютерних моделей, заснованих на даних, отриманих на місцях, дає змогу зрозуміти взаємодію населення та функції екосистеми. Математичні моделі програмування стають все більш важливими в прикладній екології, особливо в управлінні природними ресурсами та сільськогосподарських проблемах, що мають екологічну основу.

Камери з контрольованим середовищем дозволяють експериментаторам підтримувати рослини та тварин у відомих умовах освітлення, температури, вологості та тривалості дня, щоб можна було вивчити вплив кожної змінної (або комбінації змінних) на організм.Біотелеметрія та інше електронне обладнання для відстеження, яке дозволяє дистанційно стежити за переміщенням і поведінкою організмів, що вільно живуть, може забезпечити швидкий відбір популяцій. Радіоізотопи використовуються для відстеження шляхів проходження поживних речовин через екосистеми, для визначення часу та ступеня передачі енергії та поживних речовин через різні компоненти екосистеми, а також для визначення харчових ланцюгів. Використання лабораторних мікросвітів — водних і ґрунтових мікроекосистем, що складаються з біотичного та небіотичного матеріалу з природних екосистем, утримуваних в умовах, подібних до тих, які зустрічаються в польових умовах — є корисним для визначення швидкості кругообігу поживних речовин, розвитку екосистеми та інших функціональних аспектів. екосистем. Мікрокосми дозволяють екологу дублювати експерименти та виконувати експериментальні маніпуляції з ними.

Що вивчає екологія

Екологія – це наука, що вивчає взаємозв’язки живих організмів між собою та з навколишнім середовищем. Її дослідження охоплюють широкий спектр рівнів, від окремих організмів до цілих екосистем, таких як ліси, луки, океани та біосфера.

Ось деякі з ключових аспектів, які вивчає екологія:

1. Взаємодія живих організмів з середовищем:

Це включає вивчення того, як живі істоти адаптуються до різних умов середовища, таких як температура, вода, їжа, хижаки та конкуренти.
Екологи досліджують, як різні фактори середовища впливають на розподіл, чисельність, поведінку та еволюцію живих організмів.

2. Структура та функціонування екосистем:

Екологи досліджують, як різні види живих істот взаємодіють один з одним і з неживими компонентами середовища, формуючи стійкі екосистеми.
Вивчаються трофічні ланцюги та мережі, потоки енергії та речовини в екосистемах, а також кругообіг біогенних елементів.

3. Потоки енергії та речовини:

Екологія вивчає, як енергія та поживні речовини перетікають через екосистеми, підтримуючи життя та функціонування екосистем.
Досліджуються такі процеси, як фотосинтез, дихання, розкладання, детритні ланцюги живлення.

4. Зміна екосистем:

Екологи досліджують, як екосистеми змінюються з часом під впливом природних та антропогенних факторів, таких як зміна клімату, забруднення та вирубка лісів.
Вивчаються сукцесії екосистем, стійкість екосистем до змін, а також екологічні проблеми та їх вирішення.

5. Вплив людини на довкілля:

Екологія досліджує, як людська діяльність впливає на планету, і шукає шляхи зменшення цього впливу та збереження довкілля.
Вивчаються такі проблеми, як зміна клімату, забруднення, втрата біорізноманіття, деградація земель, екологічні кризи.