Экология
-
Определение экологии
- Экология изучает взаимоотношения между живыми организмами и их физическим окружением.
- Включает организмы на индивидуальном, популяционном, общественном, экосистемном и биосферном уровнях.
- Пересекается с биогеографией, эволюционной биологией, генетикой, этологией и естественной историей.
-
История и развитие
- Слово «экология» введено в 1866 году Эрнстом Геккелем.
- Современная экология зародилась в 1890-х годах.
- Эволюционные концепции адаптации и естественного отбора являются краеугольными камнями современной экологической теории.
-
Экосистемы и их процессы
- Экосистемы — это динамичные системы организмов, сообществ и абиотических компонентов.
- Экосистемные процессы регулируют поток энергии и вещества.
- Экосистемы поддерживают жизнедеятельность и предоставляют экосистемные услуги.
-
Уровни и масштаб организации
- Экология охватывает микроуровень (клетки) и планетарный масштаб (биосфера).
- Экосистемы содержат абиотические ресурсы и взаимодействующие формы жизни.
- Экосистемы динамичны и могут меняться быстро или медленно.
-
Основные дисциплины и парадигмы
- Популяционная экология фокусируется на распределении и численности организмов.
- Экосистемная экология фокусируется на материалах и энергетических потоках.
-
Иерархия и панархия
- Экосистемы классифицируются иерархически, анализируя данные на разных уровнях.
- Биологический мир организован в вложенную иерархию от генов до биосферы.
-
Биоразнообразие
- Биоразнообразие описывает разнообразие жизни от генов до экосистем.
- Включает разнообразие видов, экосистем и генетическое разнообразие.
- Биоразнообразие важно для экосистемных услуг и поддержания качества жизни человека.
-
Среда обитания
- Среда обитания описывает окружающую среду, в которой встречается вид.
- Включает биотические и абиотические переменные окружающей среды.
- Смена местообитаний свидетельствует о конкуренции в природе.
-
Экологическая ниша и её составляющие
- Экологическая ниша — совокупность биотических и абиотических условий, в которых вид способен сохраняться и поддерживать стабильную численность популяции.
- Фундаментальная ниша — набор условий, при которых вид способен сохраняться.
- Реализованная ниша — совокупность окружающей среды и экологических условий, при которых вид сохраняется.
-
Биогеографические закономерности и распределение ареалов
- Виды обладают функциональными признаками, адаптированными к экологической нише.
- Признак — поддающееся измерению свойство организма, влияющее на его выживание.
- Гены играют важную роль во взаимодействии развития и проявления признаков.
- Виды-резиденты адаптируются к давлению отбора в местной среде обитания, что даёт им конкурентное преимущество.
-
Конструкция ниши и экосистемная инженерия
- Организмы изменяют свою среду обитания, что влияет на условия как локального, так и глобального масштаба.
- Экосистемные инженеры регулируют доступность ресурсов, изменяя физическое состояние биотических или абиотических материалов.
- Гнезда общественных насекомых, такие как термитники, поддерживают гомеостаз и наследуются потомством.
-
Биом и биосфера
- Биомы — более крупные организационные единицы, классифицирующие регионы экосистем Земли.
- Биосфера — общая сумма экосистем на планете, регулирующая поток энергии, питательных веществ и климат.
- Экологическая теория объясняет самопроникающие регуляторные явления планетарного масштаба, такие как гипотеза Геи.
-
Популяционная экология
- Популяционная экология изучает динамику популяций видов и их взаимодействие с окружающей средой.
- Мальтузианская модель роста описывает экспоненциальный рост популяции при постоянной окружающей среде.
- Логистическое уравнение описывает равновесие численности населения при сбалансированных темпах роста и перенаселенности.
-
Метапопуляции и миграция
- Метапопуляции — совокупность популяций, которые вымирают и вновь заселяются.
- Экология метапопуляций используется в природоохранных исследованиях для упрощения ландшафта и учёта миграционного поведения организмов.
-
Миграция животных
- Миграция включает сезонный уход и возвращение особей из среды обитания.
- Миграция также является популяционным явлением, как в случае с миграцией растений после ледникового периода.
- Экологи используют пыльцевые записи для реконструкции миграционных маршрутов растений.
-
Таксономия движения
- Существуют различные виды движения, такие как коммьютинг, фураж, территориальное поведение, стазис и роуминг.
- Дисперсия отличается от миграции тем, что это постоянное движение особей из одной популяции в другую.
-
Метапопуляции
- В метапопуляциях особи классифицируются как эмигранты или иммигранты, а места — как источники или стоки.
- Источники — это продуктивные места, генерирующие ювенилов, которые мигрируют в другие места.
- Стоки — это непродуктивные места, которые только принимают мигрантов, и население исчезает без помощи.
- Метапопуляции моделируют динамику патчей для изучения пространственной и демографической экологии.
-
Экология сообществ
- Экология сообществ изучает взаимодействия между видами и их средой обитания.
- Исследуются факторы, влияющие на разнообразие и распределение видов в сообществах.
- Примеры исследований включают анализ разнообразия видов в лугах и динамику хищников и жертв.
-
Экосистема
- Экосистемы — это интегрированные системы, включающие физические и биологические комплексы.
- Экосистема изучает потоки материалов между различными пулами, такими как дерево и почва.
- Экосистемы классифицируются как наземные, пресноводные, атмосферные или морские.
-
Пищевые сети
- Пищевые сети — это сети, связывающие растения и животных через цепи питания.
- Пищевые цепи упрощенно показывают линейные пути передачи энергии и питательных веществ.
- Пищевые сети иллюстрируют важные принципы экологии и стабильность сообществ.
-
Трофические уровни
- Трофические уровни — это группы организмов, получающие энергию от более низких уровней.
- Виды классифицируются как автотрофы, гетеротрофы и детритофаги.
- Трофические уровни помогают понять поток энергии и контроль в пищевых сетях.
-
Кистевые виды
- Кистевые виды — это виды, связанные с большим количеством других видов в пищевой сети.
- Потеря кистевых видов приводит к каскадным эффектам, изменяющим пищевые сети и вызывающим вымирание других видов.
- Примеры кистевых видов включают морских выдр, ограничивающих плотность морских ежей.
-
Экологическая сложность
- Экологическая сложность связана с взаимодействием множества взаимодействующих частей экосистемы.
- Глобальные паттерны биологического разнообразия сложны и зависят от взаимодействия различных экологических процессов.
- Экологическая сложность включает пространственные, временные, структурные, процессные, поведенческие и геометрические аспекты.
-
Холизм в экологии
- Холизм подчеркивает, что экосистемы являются целостными системами, которые нельзя понять, просто суммируя их части.
- Холизм включает три научных значения: механистическую сложность, практическое описание и метафизическую иерархию.
- Холизм отличается от мистицизма, который использует тот же термин.
-
Связь с эволюцией
- Экология и эволюционная биология тесно связаны, используя общие концепции, такие как естественный отбор и адаптация.
- Экологи и эволюционисты используют общие методы, такие как филогенетика и таксономия.
- Экология изучает факторы, влияющие на эволюционные процессы, а эволюция может происходить на коротких временных интервалах.
-
Поведенческая экология
- Поведенческая экология изучает поведение организмов в их среде и его экологические и эволюционные последствия.
- Адаптация является центральной концепцией в поведенческой экологии, и поведение может эволюционировать через естественный отбор.
- Поведенческие адаптации включают избегание, бегство или защиту от хищников.
-
Когнитивная экология
- Когнитивная экология объединяет теорию и наблюдения из эволюционной экологии и нейробиологии.
- Когнитивные системы животных ограничивают их поведение в экологической и эволюционной среде.
- Когнитивная экология связана с энактивизмом, который рассматривает организм и среду как взаимозависимые.
-
Социальная экология
- Социальные экологические поведения включают взаимную выгоду среди родственников и партнеров.
- Социальные поведения эволюционируют через родственный и групповой отбор.
- Родственный отбор объясняет альтруизм через генетические связи, а групповой отбор — через сотрудничество.
-
Социальные насекомые и альтруизм
- Социальные насекомые, такие как муравьи, пчелы и осы, известны своими отношениями, где самцы-трутни являются клонами.
- Групповой отбор объясняет альтруизм среди негенетических родственников через селекцию, выгодную для групп.
- Группы с преимущественно альтруистическими членами выживают лучше, чем группы с преимущественно эгоистичными членами.
-
Коэволюция
- Экологические взаимодействия делятся на отношения между хозяином и ассоциированным организмом.
- Примеры мутуализма включают симбиоз грибов и растений, бактерий и насекомых, опыление фиговых ос и юкки.
- Симбиоз — это физическая связь между хозяином и ассоциированным организмом.
- Комменсализм — это отношения, где один организм получает выгоду, а другой нет.
- Паразитизм — это отношения, где ассоциированный организм получает выгоду, а хозяин страдает.
- Конкуренция и антагонизм также влияют на коэволюцию.
-
Биогеография
- Биогеография изучает географическое распределение организмов и эволюцию их признаков.
- Теория островной биогеографии Роберта МакАртура и Эдварда Уилсона считается фундаментальной.
- Биогеографические процессы включают миграцию и расселение, а также исторические процессы, разделяющие популяции.
- Практические приложения включают изучение влияния климатических изменений на биоразнообразие.
-
r/K теория
- r/K теория объясняет эволюцию жизненных стратегий в зависимости от плотности популяции.
- r-отбор происходит при низкой плотности, когда ресурсы не ограничены.
- K-отбор происходит при высокой плотности, когда ресурсы ограничены.
- Примеры r-отбора: насекомые и инвазивные виды.
- Примеры K-отбора: люди и слоны.
-
Молекулярная экология
- Молекулярная экология использует генетические технологии для изучения генов в эволюционном и экологическом контексте.
- Джон Эйвис сыграл важную роль в этой области, опубликовав книгу «Молекулярные маркеры, естественная история и эволюция».
- Молекулярные исследования раскрыли ранее неизвестные детали в поведении и биогеографии.
-
Человеческая экология
- Человеческая экология изучает взаимодействие человека с окружающей средой.
- Термин был введен в 1921 году, но интерес к этой теме возник задолго до этого.
- Экологические сложности, вызванные технологической трансформацией, привели к появлению новой науки — сопряженных человеческих и природных систем.
- Экосистемы поддерживают жизнь, и их ценность не может быть оценена традиционными экономическими методами.
-
Экосистемы и их функции
- Экосистемы производят, регулируют и поддерживают важные для человека и экономики услуги.
- Они также предоставляют информацию и возможности для научного и когнитивного развития детей.
- Экосистемы являются основой глобальной экономики, так как все товары и обмен происходят из экосистем Земли.
-
Восстановление экосистем
- Экологическое управление не просто наука, а фундаментальное переосмысление взаимодействия человека с природой.
- Экология используется для восстановления нарушенных участков и оценки экологических последствий.
- Примеры восстановления включают улучшение стабильности болот в Бостоне и внедрение методов устойчивого землепользования.
-
Отношение к окружающей среде
- Окружающая среда включает физические параметры и биотические атрибуты.
- Физическая среда включает температуру, радиацию, свет, химию, климат и геологию.
- Биотическая среда включает гены, клетки, организмы и другие виды в среде обитания.
- Различие между внешней и внутренней средой условно, так как они взаимосвязаны.
-
Нарушения и устойчивость
- Нарушения могут быть вызваны естественными колебаниями или деятельностью человека.
- Биологическое разнообразие защищает экосистемы от нарушений.
- Примеры нарушений включают пожары, наводнения, засухи и инвазивные виды.
-
Метаболизм и ранняя атмосфера
- Метаболизм — это процесс, с помощью которого организмы получают энергию и материалы из окружающей среды.
- Атмосфера Земли эволюционировала от водорода к метану и аммиаку, затем к углероду, азоту и воде.
- Ранние организмы, такие как анаэробные метаногены, начали процесс преобразования атмосферы.
-
Тепло, температура и свет
- Биология жизни работает в определенном диапазоне температур.
- Тепло регулирует температуру и влияет на рост, активность и первичное производство.
- Температура зависит от солнечной радиации и влияет на климаты и распределение биоразнообразия.
- Свет является основным источником энергии для экосистем, обеспечивая фотосинтез и первичное производство.
-
Физические среды
- Вода влияет на диффузию газов и интенсивность света.
- Водные растения имеют адаптации для выживания в этих условиях, такие как аэренхима и специальные органы для регуляции соли.
-
Аэробные микроорганизмы в почве
- Используют нитраты, ионы марганца, железа, сульфат, углекислый газ и органические соединения
- Некоторые микроорганизмы являются факультативными анаэробами и используют кислород при высыхании почвы
- Активность микроорганизмов и химия воды снижают окислительно-восстановительный потенциал воды
-
Гравитация
- Влияет на форму и энергию суши
- Определяет распределение тектонических плит и геоморфологические процессы
- Влияет на рост растений и миграцию животных
- Экологические черты, такие как распределение биомассы, подвержены механическим воздействиям
-
Давление
- Климатическое и осмотическое давление ограничивает организмы на высоких высотах и в глубоких океанах
- Кислород уменьшается с уменьшением давления, что ограничивает жизнь на больших высотах
- Вода транспортируется растениями под влиянием осмотического давления
- Организмы адаптируются к изменениям давления в океанах, например, киты и дельфины
-
Ветер и турбулентность
- Влияют на распределение, форму и динамику экосистем
- Ветер создает турбулентность, влияющую на тепло, питательные вещества и биохимические профили экосистем
- Ветер влияет на испарение и энергию в растениях и животных
- Ветер создает пространственные разделения в биоразнообразии, ограничивая миграцию видов
-
Огонь
- Растения преобразуют углекислый газ в кислород, что привело к появлению огня
- Огонь высвобождает углекислый газ и преобразует топливо в золу и сажу
- Огонь создает неоднородную экосистему и открывает новые экологические ниши
- Растения адаптированы к лесным пожарам, некоторые виды требуют воздействия огня для прорастания семян
-
Почвы
- Почва является важным центром экосистем и сельскохозяйственной науки
- Разложение органического вещества создает минералы и питательные вещества для растений
- Почвенные микроорганизмы влияют на трофические уровни экосистемы
- Почвы формируют композитные фенотипы, где организмы и неорганические вещества взаимодействуют
-
Биогеохимия и климат
- Экологи изучают и измеряют питательные бюджеты для понимания их регуляции и рециркуляции
- Экосистемы влияют на физические параметры планеты, включая минералы, почву, pH, воду и атмосферные газы
- Экология глобального углерода показывает связь между биоразнообразием и биогеохимией
- Экологические процессы регулируют глобальные углеродные бюджеты, например, в Эоцене и Олигоцене
-
Влияние человека на экосистемы
- Человеческая деятельность, такая как разрушение экосистем и потеря биоразнообразия, способствует повышению уровня парниковых газов в атмосфере.
- Глобальное потепление уже приводит к таянию ледников, повышению уровня моря и изменению распределения видов.
- Таяние вечной мерзлоты создает новые затопленные участки, что увеличивает выбросы метана.
-
История экологии
- Экология изучает отношения организмов с окружающей средой, включая условия их существования.
- Древние греки, такие как Гиппократ и Аристотель, делали наблюдения о природе, но их взгляды были статичными.
- В 1700-х годах появились концепции пищевых цепей, регуляции популяции и продуктивности.
- Александр фон Гумбольдт внес вклад в экологическое мышление, признав экологические градиенты.
- Термин «экология» был введен Эрнстом Геккелем в 1866 году.
-
Современная экология
- Современная экология начала привлекать внимание в конце 19 века.
- В начале 20 века экология перешла от описательной к аналитической форме.
- Фредрик Клементс предложил концепцию суперорганизма, что вызвало дискуссию между холизмом и индивидуализмом.
- Чарльз Элтон ввел понятие пищевых цепей и пищевых сетей.
- В 1940-х годах появились теоретические концепции, такие как трофическая динамика и математическая теория.
- В 1960-1970-х годах экологическое движение вызвало интерес к экологии.
-
Исторический контекст экологии
- Экология имеет сильные исторические и научные связи с управлением окружающей средой и защитой.
- Экологи, такие как Альдо Леопольд и Артур Тенсли, защищали дикие места, удаленные от городских центров.
- В начале 1900-х годов женщины, такие как Эллен Суоллоу Ричардс и Джулия Латроп, боролись за экологию городского здоровья и изменения в экологическом законодательстве.
-
Влияние на общественное мнение
- В 1962 году книга Рейчел Карсон «Silent Spring» помогла мобилизовать экологическое движение, alerting к токсичным пестицидам, таким как ДДТ.
- Карсон использовала экологическую науку для связи экологических токсинов с здоровьем человека и экосистем.
-
Современные экологические движения
- С тех пор экологи работают над объединением понимания деградации экосистем с экологической политикой, правом, восстановлением и управлением природными ресурсами.
-
Терминология и определения
- Термин «экология» происходит от древнегреческого χώρας, что означает «место обитания, область распространения».
- Экология включает в себя различные аспекты, такие как химическая экология, климатическая справедливость, культурная экология и другие.
-
Примечания и ссылки
- В статье упоминаются различные источники, такие как Стэнфордская энциклопедия философии и проект Nature Education Knowledge Project.