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.
-
Принцип конкурентного исключения
- Два вида не могут сосуществовать бесконечно, питаясь одним и тем же ресурсом.
- Сходно адаптированные виды могут иметь тонкие экологические различия в среде обитания или диетических требованиях.
-
Экосистемная инженерия и создание ниш
- Организмы изменяют свою среду обитания, что влияет на условия как локального, так и глобального масштаба.
- Экосистемные инженеры регулируют доступность ресурсов для других видов, изменяя среду обитания.
- Гнезда общественных насекомых, такие как термитники, поддерживают гомеостаз и наследуются потомством.
-
Биомы и биосфера
- Биомы — крупные организационные единицы, классифицирующие регионы экосистем Земли.
- Биосфера — общая сумма экосистем на планете, регулирующая поток энергии и питательных веществ.
-
Популяционная экология
- Популяционная экология изучает динамику популяций и их взаимодействие с окружающей средой.
- Мальтузианская модель роста описывает экспоненциальный рост популяции при постоянной окружающей среде.
- Логистическое уравнение описывает равновесие численности популяции.
-
Метапопуляции и миграция
- Метапопуляции — совокупность популяций, которые вымирают и вновь заселяются.
- Модели метапопуляций упрощают ландшафт и учитывают миграционное поведение 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 делятся на автотрофов, гетеротрофов и детритофагов.
- 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 значение
- Экосистемы производят, регулируют и поддерживают здоровье человека, экономику и предоставляют информационные услуги.
- Экосистемы являются основой глобальной экономики и зависят от экосистем на Земле.
-
Восстановление экологии
- Управление экосистемами предлагает фундаментальный пересмотр взаимодействия человека с природой.
- Экологическая наука переживает бум в промышленных инвестициях в восстановление экосистем.
-
Окружающая среда и её компоненты
- Окружающая среда включает физические и биотические параметры, динамически взаимосвязана.
- Физическая среда включает абиотические факторы, биотическая среда включает организмы.
- Окружающая среда и жизнь взаимосвязаны, законы термодинамики применимы к экологии.
-
Возмущения и устойчивость
- Возмущения изменяют или удаляют биомассу, могут быть причиной и результатом естественных колебаний.
- Биологическое разнообразие защищает экосистемы от нарушений.
-
Обмен веществ и ранняя атмосфера
- Метаболизм является фундаментальной физиологической особенностью.
- Атмосфера Земли эволюционировала от водорода к метану и аммиаку, затем к углекислому газу, азоту и водяному пару.
- Переход к атмосфере с преобладанием кислорода начался 2,4-2,3 миллиарда лет назад.
-
Излучение: тепло, температура и свет
- Биология жизни функционирует в определенном диапазоне температур, тепло регулирует температуру.
- Солнечный свет является основным источником энергии для экосистем, растения поглощают свет для фотосинтеза.
-
Физическая среда: вода
- Водно-болотные условия важны для круговорота питательных веществ и элементов.
- Вода влияет на интенсивность и спектральный состав света, водные растения обладают адаптациями для выживания.
-
Почвенные микроорганизмы и вода
- Почвенные микроорганизмы используют различные соединения, включая нитраты, ионы марганца, железа, сульфаты, углекислый газ и органические вещества.
- Активность микроорганизмов снижает окислительно-восстановительный потенциал воды.
-
Гравитация и форма суши
- Гравитационные силы влияют на форму и энергетику суши, определяя направление роста растений и ориентацию животных.
- Гравитация влияет на биомеханику и размер животных, а также на распределение биомассы в деревьях.
-
Давление и физиологические ограничения
- Климатическое и осмотическое давление накладывают физиологические ограничения на организмы.
- Уровень кислорода снижается с уменьшением давления, что ограничивает жизнь на больших высотах.
- Давление воды в океанских глубинах требует адаптации от организмов.
-
Ветер и турбулентность
- Турбулентные силы влияют на окружающую среду и распределение экосистем.
- Ветер создает турбулентность, перемешивая воду и влияя на экологический профиль.
- Скорость ветра и турбулентность влияют на испарение и энергетический баланс растений и животных.
-
Огонь и экосистемы
- Огонь выделяет CO2 и превращает топливо в золу и смолу.
- Огонь создает неоднородную экосистему и структуру полога, открывая новые экологические ниши.
- Большинство экосистем адаптированы к естественным циклам пожаров.
-
Почвы и биоразнообразие
- Почва является главным организующим центром экосистемных функций.
- Разложение органических веществ приводит к образованию минералов и питательных веществ.
- Почвенные микроорганизмы находятся под влиянием трофической динамики экосистемы.
-
Биогеохимия и климат
- Экологи изучают содержание питательных веществ и их влияние на экосистемы.
- Шесть основных элементов формируют структуру биологических макромолекул и участвуют в геохимических процессах.
- Экология глобальных углеродных балансов показывает связь между биоразнообразием и биогеохимией.
-
Изменения экосистем и глобальное потепление
- Деятельность человека приводит к повышению уровня парниковых газов.
- Глобальное потепление вызывает таяние ледников и повышение уровня моря.
- Распределение видов меняется, что влияет на миграцию и размножение.
- Таяние вечной мерзлоты увеличивает выбросы метана.
-
История экологии
- Экология изучает отношения организмов с окружающей средой.
- Древнегреческие философы, такие как Аристотель, внесли вклад в экологию.
- В 1700-х годах Антони ван Левенгук и Ричард Брэдли разработали концепции пищевых цепочек и продуктивности.
- Александр фон Гумбольдт и другие заложили основы современных экологических наук.
-
Современная экология
- Современная экология начала привлекать внимание в конце 19 века.
- Эллен Своллоу Ричардс ввела термин «экология» в 1892 году.
- Фредерик Клементс опубликовал первую американскую книгу по экологии в 1905 году.
- Чарльз Элтон представил концепцию пищевых цепочек в 1927 году.
- Альфред Дж. Лотка и Раймонд Линдеман внесли вклад в теоретические концепции экологии.
- Роберт Макартур разработал математическую теорию экологии в 1950-х годах.
-
Экологическое движение и признание
- Интерес к экологии возрос в 1960-1970-х годах.
- Экологическое движение способствовало признанию вклада неанглоязычных культур.
-
Исторические и научные связи экологии
- Экология, рациональное использование окружающей среды и её охрана имеют прочные исторические и научные связи.
- Экологи, такие как Альдо Леопольд и Артур Тэнсли, пропагандировали защиту диких мест.
-
Роль женщин в экологии
- В начале 1900-х годов женщины-первопроходцы, такие как Эллен Своллоу Ричардс и Джулия Лэтроп, внесли изменения в природоохранное законодательство.
- Эти женщины стали предшественницами более популярных экологических движений после 1950-х годов.
-
Роль Рэйчел Карсон
- В 1962 году книга Рэйчел Карсон «Тихая весна» помогла мобилизовать экологическое движение.
- Карсон связала токсичные пестициды, такие как ДДТ, с здоровьем человека и экосистемы.
-
Современные экологические движения
- Экологи работают над объединением понимания деградации экосистем с экологической политикой и законодательством.
- Они также занимаются восстановлением и управлением природными ресурсами.