Программа курса 'Физические основы экологии'.

Задачи курса:

1. Основные понятия, предмет и задачи физических исследований в экологии. Проблема интеграции естественнонаучных знаний. Экология, биология и науки о земле. Физика и экология. Историческая и методологическая связь наук. История развития экологии. Роль экологии в современном мире. Глобальный характер экологических проблем как проблем выживания человечества.
2. Экология в узком и широком смыслах. Распространение организмов. Уровни организации живого. Понятия экологической системы, биосферы, природной среды (атмосфера, гидросфера, литосфера), техносферы, ноосферы. Экосистема как функциональная и структурная единица биосферы.
3. Биосфера как физическая система. Основные понятия физики биосферы. Биосфера как открытая термодинамическая система. "Живая" и "неживая" части биосферы, их взаимосвязь и совместная эволюция. Схема преобразования и структура потоков энергии и вещества в биосфере. Фотосинтетически активная радиация.
4. Физика абиотической части биосферы. Тепловой режим Земли. Средняя температура планеты. Тепловой баланс атмосферы и поверхности Земли. Высотный ход температуры. Климатообразующие факторы, циркуляция атмосферы и океана. Естественные и антропогенные причины изменения климата.
5. Обработка экспериментальных данных при известном характере зависимости исследуемых величин. Использование пакетов Exel и Origin. Точность определения параметров экспериментальной зависимости.
6. Организм как дискретная самовоспроизводящаяся структура, связанная обменом веществ с окружающей средой. Два типа экологических факторов: условия и ресурсы. Кривая толерантности и многомерная модель экологической ниши. Обменные процессы, связывающие организмы со средой. Зависимость интенсивности обмена и скорости развития от температуры. Источники энергии для организмов. Ключевые роли фотосинтеза и биологического окисления. Заменимые и незаменимые ресурсы. Лимитирующая концентрация необходимого ресурса. Конкуренция за ресурсы.
7. Статические и динамические характеристики популяции. Экология особи и экология популяций. Динамика популяции как баланс протекающих в ней процессов. Простые модели популяционного роста. Взаимодействия популяций. Отношения "ресурс - потребитель". Циклические колебания численности популяции. Соотношение внутривидовой и межвидовой конкуренции. Модель Лотки - Вольтерры и ее обобщения. Зависимость исхода конкуренции от внешних условий. Модели взаимодействия видов через потребление общих ресурсов. Пороговая концентрация ресурса и конкурентное преимущество.
8. Сообщества. Структура сообществ и ее количественное описание. Ординация видов. Видовое разнообразие как интегральная характеристика сообщества. Типы индексов видового разнообразия и их физические аналоги. Различные типы распределения обилия видов, входящих в сообщество. Логнормальное распределение численностей. Устойчивость сообществ. Связь между сложностью сообщества и его устойчивостью.
9. Экосистема как относительно устойчивое изолированное сообщество региона. Динамика эволюции экосистем. Первичная и вторичная сукцессии, климаксовые экосистемы. Адаптация, изменение, вымирание. Понятие о математических моделях развития экосистем и биосферы. Трудности определения границ экосистемы: несовпадение пространственно-временных масштабов круговоротов ее различных элементов.
10. Круговорот воды. Глобальная система гидрологического цикла. Осадки, испарение и влагоперенос. Соотношение запасов воды в океане и на континентах. Вода, сосредоточенная в ледниках, подземных бассейнах, в водоемах на поверхности суши (озера, реки) и в почве. Крайняя неравномерность распределения воды на суше. Различия между отдельными зонами по количеству осадков и регулярности их выпадения. Рост потребления воды на душу населения и проблема нехватки воды. Опустынивание земель, расположенных вне гумидных зон.
11. Биосферные циклы химических элементов на примере циклов углерода и азота. Содержание углерода в разных формах в литосфере, атмосфере, гидросфере и биоте. Соотношение углерода растворенного органического вещества, взвешенного органического вещества и живых организмов. Устойчивые формы органического углерода (целлюлоза, лигнин и др.). Содержание диоксида углерода в атмосфере: многолетние колебания и их корреляционная связь с изменениями климата. Сезонные и широтные изменения концентрации СО2 в атмосфере и роль микроорганизмов и высшей растительности в ее регуляции. Азотфиксация в водных и наземных экосистемах. Роль микроорганизмов в трансформации соединений азота. Значение азота как ресурса, лимитирующего первичную продукцию в океане и в бореальных экосистемах. Ограничение азотфиксации нехваткой других биогенных элементов. Нитрификация и денитрификация, проявление этих процессов в эволюции биосферы.
12. Устойчивость организмов в окружающей среде. Типы внешних воздействий. Реакции организма на адекватные и неадекватные воздействия. Механизмы защиты организма от воздействия факторов внешней среды и механизмы репарации повреждений. Приспособление к внешним факторам и пределы устойчивости живого организма. Стрессовые реакции и адаптация к внешним условиям.
13. Пространственная и временная изменчивость свойств как характерная, внутренне присущая черта экосистем. Геостатистические методы описания изменчивости. Вариограммы. Типичность проявления остаточной дисперсии в различных, в том числе малых ('точечных') масштабах. Физический механизм изменчивости удельной поверхности гетерогенной системы частиц. Гипотеза о физической обусловленности изменчивости свойств экосистем. Нарушающий характер измерений. Ограничения на характерные масштабы исследуемых физическими методами экологических объектов и предельную 'точность' измерений. Экология как статистическая наука (в смысле статистической физики).
14. Антропогенное воздействие на биосферу. Изменение окружающей среды в результате хозяйственной деятельности человека и разрушение биосферы, пределы допустимого воздействия. Контроль состояния биосферы. Стационарный мониторинг и методы дистанционного контроля, оценка пригодности или опасности среды обитания. Санитарно-гигиенические, экологические и экономические подходы к нормированию воздействия антропогенных факторов. Экология человека. Принятые методы нормирования - понятие о предельно допустимых концентрациях, дозах и воздействиях.
15. Эколого-физические исследования. Нарушение структуры сообществ под влиянием загрязнений. Снижение видового разнообразия. Использование индексов разнообразия и комбинированных показателей, учитывающих индикаторную значимость отдельных групп организмов. Катастрофическое снижение видового разнообразия тропических сообществ в результате хозяйственной деятельности человека. Особая уязвимость, хрупкость сложных сообществ, развивающихся в стабильных прогнозируемых средах.
16. Техногенные химические загрязнения. Основные источники химического загрязнения природной среды. Изучение физическими методами воздействия химического загрязнения на состояние экосистем и естественного и целенаправленного восстановления экосистем после техногенных катастроф. Магнитные методы в исследованиях и диагностике техногенного загрязнения и применение метода магнитной сепарации при восстановлении.
17. Анализ экологических рисков на основе моделирования физических процессов в экосистемах. Концепция критических нагрузок загрязняющих веществ. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ как функция состояния среды. Оценка критических нагрузок кислотообразующих соединений серы, азота, и тяжелых металлов как пример. Совместное действие природных и антропогенных факторов. Возрастание рисков в условиях холодного климата.

Литература:

1. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология: особи, популяции и сообщества. М.: Мир, Т. I, II. 1989.
2. Куклев Ю.И. Физическая экология. М.: Высшая школа. 2001.
3. Небел Б. Наука об окружающей среде. М.: Мир, Т. I, II. 1993.
4. Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986, в 2-х томах.
5. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 1980.
6. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной cреды. М. 1984. 559 с.
7. Manual on Methodologies and Criteria for Modelling and Mapping Critical Loads & Levels and Air Pollution Effects, Risks and Trends. Federal Environmental Agency, Umweltbundesamt. 2004.