Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Лекция 3. ЭКОСИСТЕМЫ И ОСНОВЫ ИХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ


 

План лекции

1. Экосистемы и основы их жизнедеятельности.

2. Направления развития в экологии сообществ и экосистем.

3. Факторы, влияющие на устойчивость экосистем.

4. Популяционный уровень жизни.

 

Основным понятием и основной таксономической единицей в экологии является экосистема. Этот термин был впервые введен в употребление английским ученым А. Тэнсли в 1935 г., т.е. более полувека спустя после выделения экологии как отрасли научных знаний. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: «биокосное тело» (В.И. Вернадский), «холон» (А.Каспер), а в 1940 г. советский ученый В.Н. Сукачев ввел понятие «биогеоценоз».

Под экосистемой понимается любая система, состоящая из совокупности живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое.

Экологические системы разных уровней представляют собой основные функциональные единицы биосферы. Это энергетически и структурно открытые системы, поддерживающие подвижное равновесие благодаря особой структурно-функциональной организации всех своих компонентов.

Любая экосистема состоит из двух взаимосвязанных блоков:

1. Биоценоз– комплекс взаимосвязанных живых организмов разных видов (растения, животные, микроорганизмы), обитающих в конкретной местности.

2. Биотоп или экотоп– факторы среды обитания.

Схематично можно записать:

Экосистема = биоценоз + биотоп.

В составе биотопавыделяют следующие абиотические(неживые) компоненты:

- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др);

- воздушная, водная или твердая среда обитания;

- климатический режим и др.

В состав биоценозавходят биотические(живые) компоненты, которые состоят из трех функциональных групп организмов (схема 2).

 

Схема 2

 

Первая группа организмов – продуценты, или автотрофные организмы (греческие auto – сам, trophe –пища) создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы).

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы или сахара:

СО2 + Н2О = (СН2О)n + О2 .

Хемотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q1

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q2 .

Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов.

Вторая группа организмов – консументы (латинское consume – потребитель) первого, второго, третьего порядков, или гетеротрофные организмы (греческие heteros – другой, trophe – пища), потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов (греческое phagos – пожирающий) и сапротрофов (греческое sapros – гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные – макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов – редуценты (латинское reducens – возвращающий), или деструкторы, разрушают сложные соединения мертвой органики, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источником энергии для других биотических компонентов экосистемы. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы.

Каждая группа организмов представляет собой трофический(пищевой)уровень или звено. Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания,или трофическую цепь. Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

Все элементы экосистемы тесно связаны между собой единством территории, общим потоком энергии(от Солнца к автотрофам, а от них – к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов, сезонными колебаниями климатических условий и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.

Как уже отмечалось, каждый биоценоз состоит из множества видов. Вид – естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде. Но виды входят в биоценоз не отдельными особями(наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции), а популяциями.Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство, воспроизводящая себя в течение большого числа поколений и способная к саморегулированию. Таким образом, каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала) распадается на популяции, размеры которых различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз – это сумма популяций разных видов, взаимосвязанных между собой и с условиями среды.

В экологии часто пользуются термином «сообщество». Содержание этого термина неоднозначно. Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (синоним биоценоза) и аналогичная совокупность только растительных организмов (фитоценоз) или животных (зооценоз), или микробного населения (микробоценоз).

Экосистемы, подобно организмам и популяциям, способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние устойчивого равновесия. Это свойство экосистем называется гомеостазом. Но для нормального функционирования экосистем необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией.

Основными свойствами экосистемы являются:

- способность осуществлять круговорот веществ;

- противостоять внешним воздействиям;

- производить биологическую продукцию.

Экосистемы очень различны по размерам. Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от глубокого океана до высокого леса. Определяя экосистемы таким образом, можно выделить:

- микроэкосистемы– небольшой водоем; труп животного с населяющими его организмами; ствол дерева в стадии разложения; аквариум, даже лужа или капля воды, пока они существуют и в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ;

- мезоэкосистемы– лес, пруд, река и т.п.

- макроэкосистемы– океан, континент, природная зона и т.п.

- глобальная экосистема– биосфера в целом.

Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. Образное (шутливое) определение экосистемы дал географ и писатель Г.К.Ефремов: «это любое природное образование от кочки до оболочки (географической)».

Существует такое понятие, как видовая структура экосистемы, под которым понимается количество видов, образующих экосистему, и соотношение их численности. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы дождевых тропических лесов.

Разнообразие видов зависит также от возраста экосистемы. Молодые экосистемы крайне бедны видами, т.к. возникают на изначально безжизненном субстрате (отвалы пород при добыче полезных ископаемых). В хорошо сформировавшихся экосистемах преобладают 1, 2 или 3 вида, которые называются доминантными(господствующими). Наряду с доминантами в экосистемах выделяют виды – эдификаторы, которые являются основными образователями среды.

Каждый вид или его части (популяция, группировка) занимают определенное место в окружающей среде, т.е. экологическую нишу. Под экологической нишейпонимают обычно место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности или, как говорят, жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени, способам питания, местам размножения, укрытий и т.п. Понятие «жизненный статус» значительно объемнее и содержательнее понятия «местообитание». Американский эколог Ю. Одум образно назвал местообитание адресом организма (вида), а экологическую нишу – его профессией [13].

Энергетика экосистем

Живые организмы, входящие в экосистемы, для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза. При фотосинтезе связывается только энергия с определенными длинами волн – 380-710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Растения в процессе фотосинтеза связывают лишь небольшую часть солнечной радиации – менее 1% (в среднем для земного шара). Только наиболее продуктивные экосистемы в оптимальных условиях могут связывать до 3–5% ФАР. Растения являются первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания.

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей.

1. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспечение (движение, поддержание температуры тела и т.д.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание (Эд), с которым, в конечном счете, связаны все возможности её высвобождения из химических связей органического вещества.

2. Часть энергии переходит в тело организма-потребителя вместе с увеличивающейся массой (приростом, продукцией). Это энергия прироста (Эпр.).

3. Некоторая доля пищи, а вместе с ней и энергия, не усваивается организмом. Она выводится в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности. Это энергия продуктов выделения (Эп.в.).

Таким образом, баланс пищи и энергии для отдельного животного организма можно представить в виде уравнения:

Эп = Эд + Эпр. + Эп.в.(1)

При всем разнообразии расходов энергии максимальные затраты её идут на дыхание и в сумме с неусвоенной пищей они составляют в среднем около 10% от энергии, полученной данным уровнем. В результате на верхние трофические уровни (к хищникам) переходит всего 0,001 доля процента от энергии зеленых растений. Эта закономерность называется правилом десяти процентов. Это правило показывает, насколько низок КПД всех биологических систем и велико значение процессов рассеивания энергии в биосфере.

Если количество энергии (продукции, биомасс или численности) организмов на каждом трофическом уровне представить в виде прямоугольников в одном и том же масштабе, то их распределение будет иметь вид пирамид. Правило пирамид энергии можно сформулировать так: количество энергии, содержащейся в организмах на любом последующем уровне цепи питания, меньше её значений на предыдущем уровне.

Любая экосистема, приспосабливаясь к изменениям внешней среды, находится в состоянии динамики. Эти изменения в одних случаях могут повторяться, в других имеют однонаправленный, поступательный характер и обуславливают развитие экосистемы в определенном направлении.

Периодически повторяющуюся динамику называют циклическими изменениями, или флуктуациями,а направленную динамику называют поступательной, или развитием экосистем. Для направленной динамики характерным является либо внедрение в экосистемы новых видов, либо смена одних видов другими. В конечном счете происходят смены биоценозов и экосистем в целом. Этот процесс называют сукцессией.Различают первичные и вторичные сукцессии. Под первичной сукцессией обычно понимается развитие экосистемы на изначально безжизненном субстрате (заброшенные песчаные карьеры, землеотвалы и т.п.). Вторичные сукцессии начинаются обычно не с нулевых значений, а возникают на месте нарушенных или разрушенных экосистем (вырубка леса, лесные пожары, зарастание с.-х. угодий и т.п.). Сукцессионные смены обычно связывают с тем, что существующая экосистема создает неблагоприятные условия для наполняющих её организмов (почвоутомление, неполный круговорот веществ, самоотравление продуктами выделения и др.). Наряду с природными факторами причинами динамики экосистем все чаще выступает человек (осушение болот, распашка степей, пожары, химическое загрязнение среды и т.п.). Антропогенные воздействия часто ведут к упрощению экосистем и их полному распаду.

Для характеристики экосистем важны такие понятия, как стабильность и устойчивость. Стабильность – это способность экосистем сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии внешних факторов.

Устойчивость– способность экосистемы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после воздействия факторов, выводящих её из равновесия.

Таким образом, устойчивость экосистем и их совокупности, то есть биосферы, зависит от следующих факторов.

1. Биосфера использует внешние источники: солнечную энергию и энергию разогрева земных недр - для поддержания жизнедеятельности окружающей среды. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создали тепловой баланс в биосфере. Нарушение его может привести к смерти живых существ, которые могут существовать только в определенном тепловом диапазоне.

2. Биосфера как совокупность экосистем использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы: водород, углерод, азот, фосфор, калий, кислород) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных веществ. Поэтому большинство предприятий по производству пищевых продуктов можно организовать без сброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

3. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению равновесия и спасают от угрозы со стороны внутренних факторов. У многих видов развиты защитные реакции от болезней, механизм которых изучен не до конца. Генофонд дикой природы – бесценный дар, возможности которого использованы в ничтожно малой степени.

4. Практически все закономерности, характерные для живого, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Если темп изменений условий жизни превышает адаптивные возможности систем, то они погибают.

5. Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависят от совокупности абиотических и биотических факторов.

Каждый биологический вид представляет собой сложную экологическую систему – систему популяций. Разные части ареала (район обитания вида) отличаются друг от друга не только географически, но и по составу группировок внутри вида. Каждая группировка имеет свои генетические, морфологические и физиологические особенности. Такие группировки и называют популяциями.

На уровне популяций происходят основные адаптации, естественный отбор и эволюционные процессы. Разнообразие популяций внутри вида резко увеличивает его (вида) приспособительные способности, освоение среды и, в конечном счете, возможности выживания. Проявляя заботу о сохранении вида, человек должен прежде всего думать о сохранении популяций.

Каждая популяция характеризуется определенными показателями.

1. Плотностьпопуляции – это число особей на единицу площади или объема. Плотность колеблется с течением времени и определяется потоком вещества и энергии, проходящими через популяцию. Это влияет на продуктивность трофического уровня и интенсивность обмена веществ.

2. Возрастная структураопределяет способность популяции к размножению, она представлена поколениями. Различают три основных типа возрастной структуры: стабильная – число особей разных возрастов равномерно меняется и носит характер нормального распределения; возрастающая в популяции преобладают молодые особи; уменьшающаяся (отмирающая) – популяция, в которой преобладают особи старших возрастов, что свидетельствует о наличии отрицательных факторов в её существовании, нарушающих воспроизводительные функции.

3. Половая структураопределяется соотношением мужских и женских особей.Неравномерное отмирание особей одного пола или, наоборот, их появление в большом количестве приводит к изменению других характеристик популяции.

К числу важнейших свойств популяций относится динамика численностисоставляющих её особей и механизмы её регулирования. Всякое значительное отклонение численности особей в популяциях от оптимальной связано с отрицательными последствиями для её существования. В связи с этим популяции имеют адаптационные механизмы, способствующие как снижению численности (если она значительно превышает оптимальную), так и её восстановлению, если она снижается ниже оптимальных значений. Периоды резкого изменения численности носят название популяционных волн, волн жизни, волн численности. Причины таких колебаний до конца не ясны. В одних случаях их связывают с пищевым фактором, в других – с климатическими явлениями, в третьих – с солнечной активностью. Вероятнее всего, в данном случае действует комплекс взаимосвязанных факторов.



Последнее изменение этой страницы: 2016-07-23

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.