2. Основні екологічні терміни, поняття та закони

Екологія – це в першу чергу наука про навколишнє середовище. Під навколишнім середовищем розуміють цілісну систему взаємопов’язаних природних та антропогенних об’єктів і явищ, яка включає соціальні, природні та штучно створені фізичні, хімічні та біологічні фактори.

Основою розкриття цих понять служить вчення про біосферу. Поняття «біосфера» з’явилось у другій половині ХІХ ст. завдяки В.І.Вернадському (1863-1945), який розглядав її як єдину термодинамічну оболонку Землі, у якій зосереджене життя і здійснюється постійна взаємодія всього живого з неорганічними умовами середовища. Основою біологічної рівноваги і стійкості біосфери є кругообіг речовини та перетворення енергії. Елементарною первісною структурою біосфери є біогеоценоз, під поняттям якого розуміють ділянку біосфери, через яку неможливо провести жодної істотної ґрунтово-гео-хімічної межі, тобто це однорідні за топографічними, мікрокліматичними та біотичними умовами ділянки біосфери. До складу біогеоценозу входять: фітоценоз, зооценоз, мікробіоценоз, ґрунти та ґрунтові води, а також едафотоп (ґрунтовий покрив разом із живими організмами).

Сучасну екологію розділяють на факторіальну, популяційну та біогеоценологію.

Факторіальна екологія досліджую сукупність екологічних факторів – елементів середовища, які істотно впливають на живий організм, та реакцію – його відповідь на їх дію.

Популяційна екологія вивчає формування структури і динаміки природних угруповань осіб одного виду – популяцій. Вона досліджує коливання чисельності різних видів і встановлює причини цих коливань.

Біогеоценологія в свою чергу наука про взаємовідносини між живими істотами, представниками різних популяцій одного угрупування, а також між ними та навколишнім середовищем.

Крім того виділяють три основних підрозділи екології: аутекологія (вивчає індивідуальні організми), демекологія (вивчає групи організмів одного виду) та синекологія (вивчає взаємозв’язок між організмами в екосистемі).

Екологічні фактори поділяються на 3 групи:

1. Абіотичні (фізико-хімічні) фактори визначають можливість існування всіх груп організмів у тому чи іншому середовищі. В екосистемах вони виступають як ланка різними організмами і забезпечують цілісність екосистеми. За значенням вони бувають: ресурсами (вода, поживні речовини тощо) та умовами існування (неподільні абіотичні фактори, які не витрачаються в процесі життєдіяльності та однаково впливають на всі живі організми в даній екосистемі). Також до абіотичних факторів відносяться: кліматичні, едафічні (ґрунтові), геоморфологічні (рельєф) та гідрологічні.

2. Біотичні: рослини, тварини та мікроорганізми.

3. Антропічні: прямі (вирубка лісів, полювання, рибальство) та опосередковані (зміна середовища існування господарською діяльністю).

Дія будь-якого екологічного фактору залежить від його інтенсивності. Дія може бути позитивною та негативною. Зона екологічного оптимуму – діапазон найбільш сприятливого впливу фактору на організм. Критичні точки – мінімум та максимум значення фактору, які витримає організм. Відносно стійкості до екологічних факторів живі організми поділяються на еврібіотні (екологічно пластичні) та стенобіотні (екологічно не пластичні). Лімітуючий фактор – відсутній, або максимально відхилений від оптимуму сприятливий фактор, або інтенсивний несприятливий фактор, який діє у певній місцевості і не дозволяє існувати конкретному організму.

Всі організми знаходяться у постійній взаємодії з навколишнім середовищем завдяки кругообігу речовин і повинні при цьому підтримувати певну динамічну рівновагу, або гомеостаз. Сукупність цих взаємодій називають екосистемою, яка є основною функціональною одиницею екології (термін був запропонований екологом Тенслі), а також біосфери Землі. Вона не має певного розміру та об’єму. Біосфера – навколишня оболонка земної кулі, яка заселена живими істотами, що діють як геологічна сила і формують зовнішній вигляд Землі. Ноосфера – новий стан біосфери, при якому розумна діяльність людини стає визначним фактором розвитку біосфери.

Частини біосфери, відокремлені одна від одної кліматичними, ґрунтовими та іншими кордонами, називають біогеоценозами. Розрізняють біогеоценози суші та водоймища. Складовими частинами біогеоценозу є біоценоз (сукупність живих організмів, що населяють ділянку суші чи водоймища) та біотоп (ділянка суші чи водоймища з однотипними умовами, яку займає певний біоценоз). Окремим невід’ємним елементом біогеоценозу є ґрунт, як природно-історичне тіло, що утворюється під впливом клімату та живих організмів із геологічних пород. Засновником вчення про ґрунт як біокосне тіло є В.В.Докучаєв. Для утворення ґрунту необхідно п’ять головних факторів: материнська гірська порода, живі організми, рельєф місцевості, клімат та час. Основним з цих факторів є живі організми.

Усі живі організми екосистеми за характером напрямку кругообігу речовин поділяються на: продуценти (організми, які здатні будувати свої тіла за рахунок неорганічних компонентів та енергії сонця), консументи (організми, що споживають готові органічні речовини продуцентів або інших консументів і трансформують їх у інші органічні речовини) та редуценти (організми, що споживають мертві органічні речовини продуцентів та консументів, і переводять їх у неорганічні сполуки). Усі ці три групи організмів у екосистемі утворюють трофічний ланцюг.

Агроекологія - це комплексна наукова дисципліна, яка вивчає взаємодію людини з навколишнім середовищем у процесі сільського­сподарського виробництва, вплив сільського господарства на при­родні комплекси та їх компоненти, взаємодію між компонентами агроекосистем і специфіку колообігу в них речовин, перенесення енергії, характер функціонування агроекосистем в умовах техно­генних навантажень.

Основні екологічні закони.

Закони екології умовно поділяють на такі групи: структурні, міжсистемні, функціональні, енергетичні, еволюційні.

1.Структурні закони

1.1. Закон фізико-хімічної єдності живої речовини. Вся жива речовина Землі фізико-хімічно єдина. Шкідливе для однієї частини або виду шкідливе і для іншої.

2. Міжсистемні закони

2.1. Закон зниження енергетичної ефективності природокористування. З плином історичного часу при отриманні з природних систем корисної продукції на її одиницю в середньому витрачається дедалі більше енергії

2.2. Закон зростаючої родючості урожайності. Агротехнічні та інші прогресивні прийоми ведення сільського господарства, що впроваджуються в практику землеробства, ведуть до збільшення урожайності полів.

2.3. Правило міри перетворення природних систем. Під час експлуатації природних систем не можна переходити меж, що дають цим системам змогу зберігати властивість самопід-тримання і зазвичай пов'язані з помітною зміною систем трьох рів­нів ієрархії (нижчого, такого самого і вищого).

2.4. Правило інтегрального ресурсу. Галузі господарства, що конкурують у сфері використання конк­ретних природних систем, завдають тим більшої шкоди одна одній, чим значніше вони змінюють екологічний компонент, який спільно експлуатується, або всю екосистему загалом.

2.5. Принцип ієрархічної організації. Будь-яка біологічна система складається з ієрархічно розміще­них підсистем. З ускладненням структури (переходом від нижчого ієрархічного рівня до вищого) формуються додаткові (унікальні) властивості.

2.6. Принцип природності. Технічні системи керування природою з часом потребують дедалі більшого вкладання засобів аж до нераціональності їх підтримання, і тому природні («м'які») форми керування в кінцевому підсумку завжди ефективніші за технічні («жорсткі»).

2.7. Принцип обманливого добробуту. Перші успіхи або невдачі в природокористуванні можуть бути обманливими: успіх заходу щодо перетворення або керування при­родою об'єктивно оцінюється лише після з'ясування ходу і результатів природних ланцюгових реакцій у межах природного циклу (декілька років).

2.8. Принцип віддаленості події. Явище, віддалене в часі і просторі, здається менш істотним.

2.9. Принцип неповноти інформації (невизначеності). Інформація при проведенні акцій щодо перетворення природи завжди недостатня для апріорного судження про всі можливі результати заходів, що вживаються.

3. Функціональні закони.

3.1. Закон розвитку природної системи за рахунок навколишнього середовища. Будь-яка природна система може розвиватися тільки за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища.

3.2. Закони Дансеро :

а)Оборотності біосфери. Біосфера після припинення впливу на її компоненти антропогенних чинників обов'язково намагається завоювати «втрачені позиції», тобто зберегти і відновити свою екологічну рівновагу та стійкість.

б)Зворотного зв'язку взаємодії людина - біосфера. Будь-яка зміна в природному середовищі, спричинена господарською діяльністю людини, має небажані наслідки для людини.

в)Незворотності взаємодії людина - біосфера. Частина відновлюваних природних ресурсів може стати невідновлюваною, якщо людина своїми нераціональними заходами унеможливить їх відновлення.

3.3.Закони Бауера:

а) Розвиток біологічних систем - результат збільшення ефекту зовнішньої роботи біосистеми у відповідь на отриману із зовнішнього середовища одиницю енергії.

б) Біосистеми мають самовідновлюватись, оскільки вони постійно виконують роботу і руйнуються. Внаслідок самовідновлення біосистеми зберігають відносно середовища мешкання антиентропійний стан.

3.4. Закон максимізації енергії. У суперництві з іншими системами виживає (зберігається) та з них, яка найкраще сприяє надходженню енергії і використовує мак-лімальну її кількість найефективнішим способом.

3.5. Закон рівноцінності всіх умов життя. Усі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівноцінну роль.

3.6. Закон сукупної дії природних чинників. Величина врожаю залежить не від окремих, навіть лімітуваль-них чинників, а від усієї системної сукупності екологічних чинників одночасно. Коефіцієнт дії кожного чинника різний і може бути обчислений.

3.7. Закон мінімуму. Витривалість організму визначається найслабкішою ланкою в ланцюзі його екологічних потреб. Організм певною мірою здатний замінити дефіцитний чинник на інший функціонально близький.

3.8. Закон неоднозначної дії чинників. Кожен екологічний чинник неоднаково впливає на різні функції організму; оптимум для одних процесів може бути песимумом для інших.

3.9. Закон толерантності Шелфорда. Лімітувальним чинником організму (популяції, виду) може бути як мінімум, так і максимум екологічного виливу, діапазон між яки­ми визначає величину витривалості {толерантності) організму даного виду. Він визначає і положення, за яким будь-який надли­шок речовини чи енергії стає забрудником середовища.

3.10. Закон фазових реакцій (екологічної токсикології). Малі концентрації токсиканта діють на організм у напрямі підсилення його функцій (стимуляція), високі - у напрямі пригнічення (інгібування), ще вищі - призводять до смерті організму.

3.11. Закон оптимальності. Із найбільшою ефективністю будь-яка система функціонує в деяких просторово-часових межах. Необхідний пошук найкращих з погляду продуктивності розмірів сільськогосподарських полів, рослин, тварин.

3.12. Закон послідовності проходження фаз розвитку. Фази розвитку природної системи можуть іти лише в еволюційно установленому порядку - від простого до складного.

3.13. Правило оптимальної компонентної додатковості Жодна екосистема не може самостійно існувати за штучно створеного значного надлишку або нестачі одного з екологічних компонентів.

3.14. Закон збіднення різнорідної живої речовини в острівних згущеннях. Індивідуальна система, що працює в середовищі з рівнем організації нижчим, ніж рівень самої системи, приречена і, поступово втрачаючи свою структуру, через деякий час розчиняється в навколишньому середовищі.

3.15. Правило обов'язковості заповнення екологічної ніші. Ніша, яка пустує, завжди природно заповнюється.

3.16. Правило географічного оптимуму. У центрі видового ареалу зазвичай складаються оптимальні для виду умови існування, які погіршуються до периферії зони мешкання виду.

3.17. Правило максимального «тиску життя». Організми розмножуються з інтенсивністю, що забезпечує максимально можливе їх число, яке обмежене місткістю середовища та іншими чинниками.

3.18. Правило біологічного підсилення. Накопичення живими організмами хімічно стійких речовин (пестицидів, радіонуклідів тощо) призводить до біологічного підсилення їх дії в міру проходження біологічних циклів і трофічних ланцюгів.

3.19. Принцип раптового підсилення патогенності. Епідемії та епіфітотії спричинюються:

- раптовим або швидким вселенням патогенного агента з потенційно високою швидкістю росту в екосистему, в якій механізм регуляції його чисельності відсутній або малоефективний;

- різкими або дуже сильними змінами середовища, внаслідок чого зменшується енергія, потрібна для регуляції за принципом зворотного зв'язку або яким-небудь іншим способом, що порушує здатність системи до саморегуляції.

3.20. Закон екологічної кореляції. В екосистемі всі види живого та абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають один одному. Випадіння однієї частини системи призводить до виключення всіх тісно пов'язаних з нею інших частин системи і функціональної зміни цілого.

3.21. Біоценотичні принципи Тінемана:

а) Чим різноманітніші умови існування, тим більше число видів у даному біоценозі;

б) Чим більше відхиляються від норми (оптимуму) умови існування, тим бідніший на види біоценоз і тим більше особин матиме кожен вид.

3.22. Принцип конкурентного виключення Гаузе. Два види не можуть існувати в одній місцевості, якщо їх екологічні потреби ідентичні, тобто якщо вони займають одну й ту саму екологічну нішу. За обмежених можливостей просторово-часового розподілу один із видів виробляє нову екологічну нішу або зникає.

3.23. Принцип сукцесійного заміщення. Біотичні угруповання формують закономірну низку екосистем, що веде до найстійкішої в даних умовах природної системи - клімаксової в суто природних умовах або вузлової за природно-антропогенного режиму.

3.24. Закон сукцесійного уповільнення. Процеси, що відбуваються у зрілих рівноважних системах, які перебувають у стані рівноваги, як правило виявляють тенденцію до уповільнення. Заходи, що вживаються, викликають ефект лише в початковій фазі.

4. Енергетичні закони.

4.1. Перший закон термодинаміки (закон збереження енергії). При всіх змінах, що відбуваються в ізольованій системі, загальна енергія системи залишається сталою.

Загальна кількість енергії, що її отримує рослина, тварина або людина за певний період часу, виявляється: по-перше, у виділеній теплоті, по-друге - у зовнішній роботі або речовинах, які виділяються, по-третє - у збільшенні теплоти тіла в результаті росту або накопичення речовини.

4.2. Другий закон термодинаміки. Процеси, пов'язані з перетвореннями енергії, можуть відбуватися самочинно лише за умови, що енергія переходить із концентрованої форми в розсіяну.

Інше формулювання: оскільки частина енергії завжди розсіюється у вигляді недоступної для використання теплоти, ефективність самочинного перетворення кінетичної енергії на потенціальну завжди менша за 100 %.

4.3. Закон внутрішньої динамічної рівноваги. Речовина, енергія, інформація і динамічні якості окремих природних систем та їх ієрархії взаємопов'язані настільки, що будь-яка зміна одного з цих показників зумовлює супутні функціонально-структурні кількісні та якісні зміни, які зберігають загальну суму речовино-енергетичних, інформаційних, динамічних якостей систем.

Емпіричні наслідки:

1) Правило ланцюгових реакцій. Будь-яка зміна середовища (речовини, енергії, динамічних якостей системи) супроводжується розвитком природних ланцюгових реакцій, спрямованих у бік нейтралізації цієї зміни.

2) Правило нелінійності внутрішніх взаємодій. Взаємодія речовино-енергетичних екологічних компонентів кількісно нелінійна, тобто слабкий вплив або зміна одного з показників може спричинити значні відхилення інших і всієї системи загалом.

3) Правило незворотності порушень. Зміни, що відбулися у великих екосистемах, відносно незворотні.

4) Правило сталості еколого-економічного потенціалу Будь-яке місцеве перетворення природи зумовлює в глобальній сукупності біосфери і в її великих підрозділах відповідні реакції, які призводять до відносної незмінності еколого-економічного потенціалу.

4.4. Закон одностороннього потоку енергії в біоценозах. Енергія, що її отримує біоценоз шляхом ендотермічного фотосинтезу автотрофними організмами-продуцентами, разом з їх біомасою передається гетеротрофним організмам-консументам і мікроорганізмам-редуцентам. Напрямок цього енергетичного потоку незворотний і виражається у формі екологічної піраміди.

4.5. Правило Шредінгера. Для підтримання внутрішньої упорядкованості в системі необхідна постійна робота з вилучення невпорядкованості та підтримання процесів, спрямованих проти температурного градієнта.

4.6. Правило 1 %. Зміна енергетики природної системи в межах 1 % виводить при­родну систему з рівноважного стану (гомеостазу).

4.7. Правило 10 %. Середньомаксимальний перехід 10 % енергії (або речовини в енергетичному еквіваленті) з одного трофічного рівня екологічної піраміди на інший не призводить до несприятливих для екосистеми наслідків.

5. Еволюційні закони:

5.1. Закон спрямованості еволюції. Загальний хід еволюції завжди націлений на пристосовуваність до геохронологічно змінюваних умов існування й обмежений ними.

5.2. Закон (правило) незворотності еволюції (Л. Долло). Організми (популяції, види) не можуть повернутися до попереднього стану, якщо кілька поколінь їхніх предків пройшли певний шлях розвитку.

5.3. Закон прискорення еволюції. Швидкості формоутворення з плином геологічного часу зростають, а середня тривалість існування видів всередині більшої систематичної категорії зменшується; більш високоорганізовані форми існують менший період часу, ніж низькоорганізовані.

5.4. Закон еволюційно-екологічної незворотності. Екосистема, яка втратила частину своїх елементів або замінилася на іншу внаслідок дисбалансу компонентів, не може повернутися до свого початкового стану, якщо відбулися еволюційні (мікроеволюційні) зміни в екологічних елементах (збережених або тимчасово втрачених).

5.5. Закон біоенергетичний (Е. Геккеля і Ф. Мюллера) Організм (особина) в індивідуальному розвитку (онтогенез) по­вторює в скороченому і закономірно зміненому вигляді історичний (еволюційний) розвиток свого виду (філогенез).

Американський еколог Баррі Коммнонер у 1974 р. звів екологічні закони до чотирьох:

1) все пов’язане з усім;

2) все повинне кудись дітися (закон збереження енергії);

3) природа знає краще;

4) ніщо не дається задарма.

Інший американський еколог Д.Чірас у 1991-1993 рр. підкреслив, що природа існує вічно, відносно людини завдяки чотирьом законам:

1) рециклічності або повторного багаторазового використання найважливіших речовин;

2) постійного відновлення ресурсів;

3) консервативного споживання;

4) популяційного контролю.