конспекты по экология. Среды обитания. Экологические факторы Экология
 Скачать 3.4 Mb.
|
|
Среды обитания. Экологические факторы Экология — наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и со средой обитания. Она рассматривает особенности развития, размножения и выживания особей, структуру и динамику популяций и сообществ в зависимости от окружающей среды. Среды обитания организмов Условия существования — совокупность факторов среды, без которых живые организмы не могут существовать. Среда обитания (среда жизни) — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определённое воздействие. На нашей планете живые организмы освоили 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную.  В процессе эволюции у организмов выработались различные приспособления к среде обитания — адаптации. Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный путь, пассивный путь и избегание неблагоприятных воздействий. Адаптации можно разделить на биохимические, морфологические, физиологические, этологические и др.  ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Отдельные элементы среды, которые воздействуют на организмы, называются экологическими факторами. Выделяют следующие экологические факторы: абиотические, биотические, антропогенные. Абиотические факторы — компоненты неживой природы. Биотические факторы — воздействие живых организмов друг на друга (взаимодействие между особями в популяциях и между популяциями в сообществах). Антропогенные факторы — деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.). Факторы среды имеют количественное выражение. По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма. Оптимум — такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна. В зоне пессимума жизнедеятельность организмов угнетена. За пределами выносливости существование организма невозможно. Различают нижний и верхний предел выносливости.  ■ Абиотические факторы Температура. Приспособления к колебаниям температуры: миграция — переселение в более благоприятные условия, анабиоз — состояние резкого угнетения жизненных процессов, когда видимые проявления жизни временно прекращаются (спячка — животные, споры — микроорганизмы, цисты — простейшие). Свет. По отношению к свету различают растения: светолюбивые — растения открытых, постоянно освещаемых местообитаний; тенелюбивые (сциофиты) — растения затенённых местообитаний; теневыносливые (факультативные гелиофиты) — растения, произрастающие в условиях разной световой обеспеченности. Для животных свет играет информационную роль (таксисы). Фотопериодизм — реакция организма на длину дня (светлого времени суток). Влага. По отношению к влаге растения делятся на: гидрофиты — водные растения (кувшинка, ряска, стрелолист); гигрофиты — растения влажных (избыточного увлажнения) местообитаний (аир, вахта); мезофиты — растения нормальных условий влажности (ландыш, валериана); ксерофиты — растения сухих местообитаний (саксаул, верблюжья колючка, кактус). Правило Бергмана: теплокровные животные, обитающие в холодных климатических зонах, имеют большие размеры тела, чем их сородичи в более тёплых местообитаниях. Правило Аллена: выступающие части (ушные раковины, клювы, хвосты, конечности) увеличиваются при продвижении к югу. ■ Биотические факторы 1) Взаимоотношения организмов разных видов Хищничество — взаимодействие, при котором один организм (хищник) использует в пищу другой (жертву). Нейтрализм — два вида существуют на одной территории («соседи»), но не взаимодействуют друг с другом. Межвидовая конкуренция — взаимодействие (соревнование) между особями разных видов, имеющих сходные потребности (в пище, местах гнездования). Симбиоз — совместное существование двух видов организмов. Один вид (симбионт) существует благодаря эксплуатации другого (хозяина). Формы симбиоза: Комменсализм (нахлебничество) — выгоду получает только комменсал, присутствие которого для партнёра остаётся безразличным (рыба-прилипала). Мутуализм — форма сожительства, при которой оба организма извлекают выгоду друг от друга и ни одна сторона не может существовать без другой (клубеньковые бактерии). Паразитизм характеризуется антагонистическими отношениями: паразит, питаясь за счёт хозяина (его тканей, крови, питательных веществ), причиняет ему вред, хозяин стремится уничтожить или удалить паразита либо подавить его активность и жизнеспособность. 2) Взаимоотношения организмов одного вида Внутривидовая конкуренция — соревнование между особями одного вида за ресурс, имеющийся в ограниченном количестве. Кооперация — сотрудничество, стайный, стадный образ жизни многих животных позволяет им успешно защищаться от хищников, обеспечивать выживание детёнышей. ■ Антропогенные факторы Воздействие деятельности человека: Положительное воздействие (разумное преобразование природы: посадка лесов, создание искусственных водохранилищ и т. д.). Отрицательное воздействие (загрязнение Мирового океана; парниковый эффект и т. д.}. Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется экологической валентностью (толерантностью, устойчивостью, пластичностью). Интервал значений экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливости называется зоной толерантности. Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными, с узкой — стенобионтными. Экологический фактор, количественное значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором. Такой фактор будет ограничивать распространение вида даже в том случае, если все остальные факторы будут благоприятными. Лимитирующие факторы определяют географический ареал вида.  Влияние экологических факторов на организмы Экология — наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. Любой компонент среды, способный оказывать влияние на живые организмы, называют экологическим фактором. Каждый вид приспособлен к определённым значениям факторов среды. Так, существуют теплолюбивые и холодостойкие, влаголюбивые и засухоустойчивые виды. Пределы колебаний фактора, при которых возможно существование данного вида организмов (например, температура от О °С до 45 °С), называют диапазоном устойчивости или пределами выносливости вида. При этом оптимальным, наиболее благоприятным для данного вида является более узкий диапазон (например, температура от 18 °С до 28 °С). Биологический оптимум — это наилучшее сочетание условий для вида (например, температура от 18 °С до 28 °С, влажность от 60% до 85% и т. д.).  Если в определённой местности какой-то из факторов приближается к пределу максимума или минимума диапазона устойчивости вида, то недостаток или избыток именно этого фактора ограничивает возможности нормальной жизнедеятельности, и такой фактор называют лимитирующим или ограничивающим. Например, в пустыне ограничивающим фактором для растений является количество влаги. Экологические факторы действуют на организм в комплексе, поэтому ему легче перенести отклонение какого-то фактора от нормы, если остальные факторы близки к оптимуму. Сочетание жаркой и засушливой погоды неблагоприятно для растений средней полосы, поскольку чрезмерное повышение температуры организма может быть предотвращено с помощью испарения воды. Однако, если и воды в окружающей среде недостаточно, перенести такое сочетание факторов трудно. Теплокровные животные в морозы могут замерзать при нехватке корма и нормально себя чувствовать, если корма достаточно. Приспособления живых организмов к различным экологическим факторам выражаются в особенностях: строения (морфологические приспособления, например большая или меньшая длина корней растений или ушей животных); процессов жизнедеятельности (физиологические приспособления, например, аэробность или анаэробность организмов, возможности повышения или снижения плодовитости); поведения (этологические приспособления, например у животных есть возможность перейти в тень или мигрировать) (табл. 2, разд. 3.6). Конкретные приспособления или адаптации зависят прежде всего от среды обитания.  В пределах среды жизни организмы разных видов предпочитают местообитания с конкретными условиями, к которым имеются приспособления. Организмы с приспособлениями к определённым взаимоотношениям со средой образуют экологические группы. У обитателей толщи воды могут быть приспособления для «парения» в ней — известковые выросты, у обитателей дна — уплощённая форма тела. Глубоководные бурые и красные водоросли имеют дополнительные пигменты, позволяющие осуществлять фотосинтез только за счёт лучей сине-фиолетовой части спектра, проникающих на большую глубину. У разных водных обитателей есть приспособления к степени солёности воды (см. с. 54, 55), концентрации в ней растворённого кислорода. Для растений важен режим освещённости (светолюбивые растения имеют более толстые листовые пластинки, теневыносливые — тонкие). Для растений, обитающих на суше, особенно важен режим влажности.  У наземных животных стратегии выживания в неблагоприятных температурных условиях зависят от того, теплокровны они или холоднокровны. Холоднокровные обычно прекращают активность при температуре свыше 45 °С и ниже О °С. Теплокровные сохраняют тепло с помощью перьев или меха, жировой прослойки. Они могут впадать в спячку (с понижением температуры тела до 5 °С — ежи, летучие мыши) или зимний покой (в состоянии уменьшенной активности и обмена веществ — белки, хомяки) или мигрировать, что обычно связано с недоступностью кормовой базы. В жару животные снижают физическую активность, ищут укрытия, некоторые выделяют пот. Усилению теплоотдачи способствует относительно большая поверхность тела, поэтому среди близких видов обычно более крупные с маленькими ушами обитают в более холодном климате. Среди животных также выделяют экологические группы.  Для питания различными видами пищи у птиц формируются особые приспособления, выражающиеся в форме клюва и лап, скорости полёта, особенностях зрения. Сезонные изменения в природе К периодичности действия факторов (смене дня и ночи и времён года, фаз Луны, приливов и отливов) организмы приспосабливаются с помощью наследственно закреплённых биоритмов. Фотопериодизм — реакция организмов на изменение длины светового дня (фотопериода). Например, существуют растения, которые цветут при большой продолжительности светового дня. Такие растения называют длиннодневными (лён, овёс). Растения, цветущие при меньшей продолжительности фотопериода, называют короткодневными (магнолии), обычно это растения южного происхождения. Если такие растения выращивают в северных районах, то они зацветают ближе к осени, когда день становится короче. Фотопериодические реакции обеспечивают не только приспособление к сезонным изменениям абиотических факторов, но и приспособление к совместному обитанию в биоценозе. Так, в лесу многие растения цветут до распускания основной массы листьев. При смене сезонов — наступлении зимы — листопадные деревья и кустарники уменьшают испарение, сбрасывая листья, а также концентрируют соки, прекращая всасывание воды и запасая питательные вещества (концентрированные коллоидные растворы не замерзают). У многолетних и двулетних трав отмирает надземная часть, и растение зимует в виде корневищ, клубней или луковиц. Однолетние растения отмирают целиком, оставляя на зиму семена. Большинство наземных холоднокровных животных впадают в оцепенение, многие насекомые зимуют на покоящихся стадиях развития (яйца, куколки), теплокровные линяют, применяют другие стратегии (см. выше). Для рассмотрения вопросов о взаимоотношениях организмов с биотическими факторами среды важно учесть, что в экосистемах обитают не одиночные особи, а популяции различных видов. Популяции Популяциями называют совместно обитающие группы особей одного вида, не имеющих преград для скрещивания. Особи популяции так или иначе связаны между собой (имеются внутривидовые отношения) и с особями других видов (межвидовые отношения). Внутривидовые отношения часто характеризуются конкуренцией (за пищу, самок, у растений — за свет и т. д.). Иногда наблюдаются формы группового поведения.  Внутри- и межвидовые отношения и действие условий среды определяют численность популяции — общее число её особей. Изменение численности зависит от таких характеристик, как возрастная и половая структура, рождаемость, смертность и ёмкость среды, т. е. предельная допустимая плотность популяции в данных условиях. Плотность популяции — число особей (или биомасса), приходящееся на единицу площади или объёма биогеоценоза.  Численность популяций подвержена колебаниям: наблюдаются согласованные колебания хищников и жертв, для некоторых видов (например, насекомых) характерны сильные сезонные колебания. Однако численность популяции не должна быть ниже определённого предела, иначе любое случайное событие (пожар, наводнение) с большой вероятностью уничтожит её полностью. Экосистемная организация живой природы Экосистема (биогеоценоз[1]) — комплекс совместно обитающих видов (биоценоз) во взаимосвязи с участком Земли с более или менее однородной средой обитания (биотопом). Биогеоценоз представляет собой открытую биологическую систему более высокого уровня организации, чем организменный и популяционно-видовой. Состоит из отдельных организмов разных видов, связи между которыми и их связи с окружающей средой обеспечивают системе целостность, устойчивость, способность к саморегуляции и самовоспроизведению. Примеры экосистем: лес, луг, болото. По функциям, которые они выполняют в экосистеме, организмы объединяют в три группы.  Пищевые связи в экосистеме. Цепи питания Наиболее важными связями между организмами разных видов в экосистеме являются пищевые или трофические. Цепь питания (трофическая цепь) — последовательность организмов, извлекающих энергию из исходного пищевого вещества. Исходное вещество создаётся автотрофом, поэтому цепь, как правило, начинается с зелёного растения, затем идёт травоядный организм, потом хищники первого и последующих порядков (это пастбищная цепь, или цепь выедания). Выделяют также детритные цепи, которые начинаются с отмершей биомассы, и цепи паразитов, начинающиеся с их хозяев: листовой опад —> дождевой червь —> певчий дрозд —> ястреб-перепелятник. Таким образом, автотрофы представляют первый трофический уровень, травоядные — второй, хищники первого порядка — третий и т. д. Пищевые цепи биоценоза переплетаются, образуя сеть питания, вследствие того, что каждый вид питается несколькими разными видами других организмов и сам служит пищей для нескольких других видов. Пищевые цепи и сети отражают направления потоков энергии в экосистеме. Биогеоценоз — открытая биологическая система, поскольку существует в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Поток энергии, поступающей от Солнца, отчасти используется растениями для фотосинтеза органических веществ. Часть энергии веществ растений, съеденных травоядными, используется ими для построения своих органических веществ и т. д. При этом по правилу экологической пирамиды на следующий трофический уровень переходит не более 10% энергии, заключённой в биомассе предыдущего. Остальная энергия расходуется на движение, рассеивается в виде тепла или просто не усваивается. Поэтому биомасса продуцентов больше биомассы консументов первого порядка (травоядных), значительно меньше будет биомасса консументов следующих порядков и редуцентов. Из-за потерь энергии цепи не могут быть длиннее 4—6 звеньев. Превращение энергии из одного вида в другой начинается с превращения световой энергии в энергию химических связей органических веществ растений. После их съедания часть энергии переходит в органические вещества консументов, а часть, расходуемая на процессы жизнедеятельности, превращается в энергию движения, световую энергию (у светлячков) и т. д., часть энергии превращается в тепловую и рассеивается, т. е. действительно наблюдается направленный поток, а не круговорот энергии.  Необходимым условием устойчивости экосистемы является наличие круговорота веществ. Круговорот веществ в биогеоценозе — циклическое движение вещества, которое может быть использовано многократно. Круговорот происходит благодаря пищевым цепям за счёт притока энергии в экосистему. Наличие популяций всех трёх функциональных групп организмов обычно обеспечивает замкнутый круговорот химических элементов в экосистеме. Если часть веществ не будет возвращаться в природу в виде соединений, доступных для усвоения продуцентами, круговорот не будет замкнут. Тогда станет меньше продуцентов, а вслед за ними и остальных групп организмов; система выйдет из равновесия. Замкнутый круговорот углерода характерен для экосистемы леса. В болоте круговорот открытый, поскольку часть углерода в составе неразложившейся биомассы растений откладывается в виде торфа. В море часть углерода в составе раковин откладывается на дне, формируя мел и известняк.  В круговороте азота, необходимого для синтеза многих органических веществ (см. табл. 2 и 3, разд. 2.1), важнейшую роль играют азотфиксирующие почвенные и клубеньковые бактерии, аммонифицирующие и нитрифицирующие почвенные бактерии (см. хемосинтез, разд. 2.1).  Экосистема остаётся устойчивой, т. е. сохраняет относительное постоянство своего состава (видовое разнообразие и численность популяций) в меняющихся условиях среды за счёт ряда механизмов саморегуляции. Внутрипопуляционные механизмы регуляции численности связаны со снижением рождаемости или проявлением миграционного инстинкта при перенаселении. Между численностью популяций видов, связанных пищевой цепью, наблюдаются положительные и отрицательные обратные связи (например, согласованные колебания численности хищников и жертв). Дополнительная устойчивость обеспечивается разветвлённостью пищевой сети. Наличие большого разнообразия видов (биоразнообразия) в экосистеме гарантирует, в случае если численность какого-либо вида резко сократилась, возможность для верхних звеньев цепи перехода на питание другими видами. Устойчивое сообщество, способное к неограниченно долгому существованию в условиях определённого климата, называют климаксным. Для разных условий характерно формирование разных устойчивых сообществ, характеризующихся определённым составом организмов. Различные экосистемы складываются в водоёмах (пресных и солёных). На суше биоценозы формируются в основном в соответствии с климатическими поясами. Огромное значение имеет режим влажности. Формирование климаксного сообщества происходит в несколько стадий в результате саморазвития экосистемы. Последовательная смена одних биоценозов другими на определённом участке Земли называется сукцессией. Например, на скальной породе поселяются лишайники —> при их отмирании формируется почва, поселяются травянистые растения -* формируется луговой биогеоценоз, затем кустарниковый, в тени кустов и лиственных деревьев может вырасти ель, выросшие ели затенят и вытеснят лиственные деревья. Другим примером сукцессии может служить зарастание водоёмов. Агроэкосистема (агроценоз) — искусственный биогеоценоз, возникающий в результате сельскохозяйственной деятельности человека (сад, поле). Черты агроценоза: маленькое разнообразие видов; незамкнутый круговорот веществ (часть элементов удаляется с урожаем); использование помимо энергии Солнца энергии человека; наличие искусственного отбора, направленного на создание более продуктивных организмов; регуляция численности видов человеком, а не саморегуляция; неустойчивость. Для поддержания агроценозов постоянно требуется вмешательство человека: внесение удобрений, борьба с вредными насекомыми и т. д. [1] Биогеоценозом правильнее называть экосистему, сложившуюся в наземно-воздушной среде (ge — Земля). Главная роль в формировании биогеоценоза принадлежит растениям, поэтому его границы определены растительным сообществом. К биоценозам можно отнести сообщество организмов гнилого пня или лужи, а также крупные сообщества степи или кораллового рифа. Биосфера — глобальная экосистемы Биосфера — часть геологических оболочек Земли, заселённая и преобразуемая живыми организмами. Границы биосферы определены условиями, в которых могут обитать живые существа. Биосфера представляет собой открытую биологическую систему с постоянным круговоротом веществ и обменом энергии, совокупность биогеоценозов (биогеоценозы являются структурными компонентами биосферы). Учение о биосфере разработано В. И. Вернадским. Учёный выделил следующие её компоненты: живое вещество — совокупность всех живых организмов; биогенное вещество — формируется в результате жизнедеятельности организмов: кислород атмосферы — результат деятельности растений и цианобактерий; уголь — остатки древних растений; нефть — результат деятельности планктона древних морей; известняки — скелеты морских беспозвоночных; железные и марганцевые руды, фосфориты; сера — продукты хемосинтезирующих бактерий; косное вещество — формируется без участия живых организмов (базальт, гранит); биокосное вещество — результат взаимодействия жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (почва, ил). Биосфера разделена на несколько слоев: Аэробиосфера, в которой источником жизни для микроорганизмов служит атмосферная влага, а источником энергии для химических реакций — солнечная энергия. Геобиосфера, населенная геобионтами. Источником жизни, а также частично средой обитания для геобионтов является почва. Гидробиосфера — весь слой воды (без учета подземных вод), населенный гидробионтами. Делится на аквабиосферу (континентальные воды), маринобиосфера (область морей и океанов). По глубине различают 3 слоя: фотосферу (относительно ярко освещена), дисфотосферу (проникает менее 1 % солнечного света) и афотосферу, слой абсолютной темноты. Жизнь на Земле зародилась около 3,5 млрд. лет назад, с этого момента отсчитывается развитие биосферы — такой возраст имеют найденные палеонтологами древние органические остатки. В архее появились первые эукариоты (одноклеточные водоросли и простейшие организмы), началось образование почв, а в конце архея начала появились первые многоклеточные организмы. Учёные считают, что на Земле обитает от 5 до 30 млн видов, хотя описано около 1,7 млн. Совокупность всех видов составляет биоразнообразие Земли. Для отдельных видов животных решающую роль в уменьшении численности сыграла охота на них (морское млекопитающее — стеллерова корова была истреблена в XVIII в. ради вкусного мяса и жира). Человек, используя для питания мясные продукты, оказывается потребителем второго порядка. Биомасса существ на вершине экологической пирамиды не может быть высокой. Уменьшить нагрузку на экосистемы можно было бы перейдя на вегетарианскую пищу, однако человеку для нормального развития нужны продукты животного происхождения. Это означает, что возросшая численность человечества может поддерживаться искусственным разведением животных, производством ценных пищевых веществ. Экологические проблемы  Антропогенное воздействие может нарушать естественное устойчивое развитие экосистем, снижая биоразнообразие, нарушая круговорот веществ, лежащих в основе многих механизмов саморегуляции, и изменяя среду обитания организмов. Внезапные изменения в экосистемах, вызывающие резкое увеличение численности одних видов и гибель других, могут быть спровоцированы также внесением человеком в экосистему нового вида, у которого на новом месте нет естественных врагов или редуцентов их выделений (например, завоз кроликов и разведение овец в Австралии). Поэтому сохранение биологического разнообразия — важная задача, решение которой направлено на сохранение природных экосистем. Ряд экологических проблем связан с уничтожением лесов, болот, других природных биогеоценозов при открытой разработке полезных ископаемых, работе промышленности и сельского хозяйства. Поскольку основной причиной уменьшения биоразнообразия является разрушение и загрязнение среды обитания, пути охраны природы связаны с безотходными технологиями производства, утилизацией мусора, переходом на новые источники энергии, грамотным применением удобрений и средств защиты организмов в сельском хозяйстве и т. д. Последствия деятельности человека в экосистемах. Известно, какое важное значение для любого живого организма имеет воздух: без пищи человек может прожить месяц, без воды — неделю, без воздуха — считанные секунды. Вместе с тем то, чем мы дышим, подвергается сильному влиянию целого ряда факторов — результатов интенсивного развития таких производств, как: топливно-энергетического, металлургического, нефтехимического и др. Топливо-энергетический комплекс включает деятельность теплоэлектростанций, работа которых связана с выбросом в атмосферу окиси серы, азота, образующихся в процессе сгорания необогащенного угля. Не менее опасным загрязнителем воздуха являются предприятия металлургической промышленности, выбрасывающие в воздух различные химические соединения, особенно тяжелых н редких металлов. Опасным источником загрязнения воздуха стали и продукты переработки нефтехимической промышленности, особенно углеводородные соединения. На сегодняшний день влияние человека на экосистему стало практически абсолютным. За последние несколько веков, благодаря существенному развитию технологического прогресса, загрязнение окружающей среды достигло критической отметки и начало представлять серьёзную опасность. Подробный анализ и оценка последствий человека в экосистемах позволяют судить о том, что основные ухудшения экологического состояния на Земле связаны в основном с умышленно направленной деятельностью человека. К этой сфере можно отнести браконьерство и увеличение численности химических предприятий, выбросы которых оказывают сильнейшее влияние на экологию. Если в ближайшее время человечество не осознает, к какому результату приведут в итоге его действия, и не начнёт активно использовать очистительные технологии, включая увеличение количества зелёных насаждений, особенно в крупных промышленных городах, в дальнейшем это может привести к необратимым последствиям во всём мире. Экосистема (биогеоценоз). Экосистема — совокупность живых организмов, тесно взаимодействующих между собой и со средой обитания. Биогеоценоз — это однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и неживых компонентов, которые объединены в единую систему обмена веществ и энергии. Комплекс живых компонентов — биоценоз, комплекс неживых компонентов — биотоп. Биогеоценоз относительно экосистемы выступает как частное от общего. Биогеоценозы — один из вариантов реально существующих экосистем.  Свойства экосистемы: Устойчивость — способность выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Саморегуляция — способность поддерживать определенную численность особей популяций в сообществе. СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ 1) Биотическая часть Продуценты — автотрофные организмы, преобразующие энергию Солнца или химических реакций в энергию органических соединений. К этой группе относятся растения и некоторые бактерии. Консументы — гетеротрофные организмы, использующие готовые органические вещества (в виде пищи) как источник энергии и веществ, необходимых для их жизни деятельности. Редуценты — грибы и гетеротрофные микроорганизмы, разлагающие органические вещества до неорганических. 2) Абиотическая часть Неорганические соединения. Органические соединения. Климатические факторы.  ВИДОВАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРЫ ЭКОСИСТЕМЫ Видовая структура экосистемы — совокупность видов растений и животных, образующих данный биогеоценоз. Она представлена всеми группами организмов. Нарушение какого-либо звена в цепи питания вызывает нарушение экосистемы в целом. Популяции разных видов в экосистеме распределены особым образом (пространственная структура). Основу вертикальной структуры формирует растительность. Ярусность — разделение сообщества как в надземном, так и подземном пространстве на этажи. Мозаичность — характер горизонтального распределения виден в биотопе, определяемый неоднородностью почвенных условий, рельефом и деятельностью человека. Цепи и сети питания. Экологическая пирамида Цепи и сети питания Цепь питания — последовательность организмов, в которой происходит поэтапный перенос вещества и энергии от источника к потребителю. Каждое предыдущее звено является пищей для следующего. Виды цепей питания: Пастбищные (цепь выедания). Начинаются с продуцентов и включают консументов разных порядков. Детритные (цепь разложения). Начинаются с детрита, включают детритофагов и редуцентов и заканчиваются минеральными веществами.  Пищевая (трофическая) цепь — ряд взаимосвязанных видов, каждый из которых служит пищей предыдущему. В реальных биогеоценозах комплексы взаимосвязанных трофических цепей образуют пищевые сети. Сети питания — сложившиеся в процессе эволюции взаимоотношения в экосистемах, при которых многие компоненты питаются разными объектами и сами служат пищей различным членам экосистемы. Для существования и развития экосистем необходим постоянный прилив солнечной энергии, усвоение которой обеспечивают продуценты. В большинстве экосистем биомасса и заключенная в ней энергия уменьшается на каждом новом уровне приблизительно в десять раз. Трофический уровень — единица, обозначающая удалённость организма от продуцентов в пищевой (трофической) цепи. Слово трофический происходит от греческого τροφή — еда. Все экосистемы связаны между собой круговоротом веществ, реализуемым через пищевые сети (и благодаря атмосферным и геологическим явлениям). Пищевые связи в экосистемах характеризуют, используя экологические пирамиды. Экологическая пирамида Экологическая пирамида — закономерность, отражающая соотношение по пищевым уровням продуцентов и консументов различного порядка. Типы пирамид: Пирамида энергии. Закономерность, согласно которой поток энергии постепенно уменьшается и обесценивается при переходе от звена к звену в цепи питания. Пирамида биомассы. Закономерность, согласно которой каждый последующий пищевой уровень имеет массу в 10 раз меньшую, чем предыдущий. Пирамида чисел. Закономерность, отражающая число особей на каждом пищевом уровне. Главная тенденция — уменьшение числа особей от звена к звену.  Правило экологической пирамиды: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, образованной за единицу времени, больше, чем на последующем, в 10 раз. Так как биомасса по мере продвижения на высшие трофические уровни уменьшается в геометрической прогрессии, их общее количество обычно не превышает трех-пяти. Разнообразие экосистем. Сукцессия Разнообразие экосистем (биогеоценозов): по географическому положению – океанские, сухопутные, речные, горные экосистемы; по размеру – крупные, средние, малые экосистемы; по источнику энергии – обычные (продуценты – зеленые растения), нестандартные (продуценты – хемотрофные бактерии, обитающие у подводных вулканов); по происхождению и многим другим факторам. Сообщества организмов, которые существуют на начальных этапах, имеют небольшое видовое разнообразие, высокую продуктивность, слаборазветвленную пищевую сеть, резкие колебания численности популяций. Поэтому они заменяются стойкими сообществами. Этот процесс продолжается, пока не сформируется биогеоценоз. Причины устойчивости экосистем: Видовое разнообразие (чем больше видовое разнообразие, тем шире пищевые взаимоотношения между организмами, тем разветвленнее пищевые сети) Круговорот веществ (естественное циклическое движение химических элементов от одного компонента биосферы к другому, поддерживаемое потоком солнечной радиации; основным средством этого круговорота служат пищевые связи живых организмов) Саморегуляция (процесс ограничения численности особей каждого вида, а не уничтожения их друг другом) Смена биогеоценоза (сукцессия) — направленная и непрерывная последовательность появления и исчезновения популяций разных видов в данном биотопе. Менее устойчивый биогеоценоз заменяется более устойчивым. Устойчивость биогеоценоза определяется полнотой круговорота веществ, густотой трофической сети, видовым многообразием. Первичная сукцессия наблюдается в том случае, если развитие сообщества идет на вновь образовавшихся, ранее никем не заселенных местах (застывших потоках лавы, песчаных дюнах). Вторичная сукцессия происходит в том случае, если на какой-либо местности ранее существовала растительность, но по каким-то причинам (пожар) она была уничтожена, и затем постепенно восстановилась естественным путем (заброшенное поле, образование болота на месте лесного озера).  Причины сукцессии: Неполнота круговорота веществ. Вследствие этого в биогеоценозе накапливается масса непереработанных консументами и редуцентами остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности, что создает условия для вселения новых видов. Увеличение видового разнообразия. Это способствует замещению одних видов другими. Закономерности сукцессий: Осуществляются в одном направлении. Происходит увеличение видового разнообразия, разветвляется пищевая сеть, потребляется все большая часть первичной продукции. Процесс продолжается до тех пор, пока биогеоценоз не достигнет значительного видового разнообразия. Способствуют формированию зрелых биогеоценозов.  Агроэкосистема — это экологическая система, объединяющая участок территории (географический ландшафт), занятый хозяйством, производящим сельскохозяйственную продукцию. Искусственные биоценозы, созданные людьми, занимающимися сельским хозяйством, называются агроценозами. Они включают те же компоненты среды, что и естественные биогеоценозы, обладают большой продуктивностью, но не обладают способностью к саморегуляции и устойчивости, т.к. зависят от внимания к ним человека. Агроценоз — сообщество, которое создано с целью получения сельскохозяйственной продукции, поддерживается человеком, обладает высокой урожайностью одного или нескольких видов растений или животных. Агроценоз — менее целостная и устойчивая система, так как: состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность; цепи питания короткие и простые; круговорот веществ неполный; защитные механизмы культурных растений слабее, чем у дикорастущих. Сравнительная характеристика биогеоценоза и агроценоза  Живое вещество. Эволюция биосферы Биосфера включает: 1) живое вещество, образованное совокупностью всех организмов биосферы; 2) биогенное вещество, создаваемое в процессе жизнедеятельности живых организмов (газы атмосферы, нефть, уголь, известняки); 3) косное вещество, образуемое без участия живых организмов (вулканическое, метеориты); 4) биокосное вещество, образующиеся в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва, ил). Живое вещество — совокупность организмов нашей планеты. Свойства живого вещества: Способность к самовоспроизведению Обмен веществ с окружающей средой Давление жизни — способность максимально плотно занимать экологическую нишу. Напор жизни — борьба организмов за площадь, пищу, воздух, воду. Функции живого вещества: Газовая — выделение и поглощение организмами газов, поддержание газового баланса атмосферы. Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление веществ с помощью организмов. Концентрационная — накопление организмами определенных веществ. Биохимическая — процессы питания, дыхания, размножения живых организмов, их рост и перемещение но планете. Биогеохимическая — деятельность человека по использованию природных ресурсов для нужд сельского хозяйства, транспорта, промышленности. Живое вещество в биосфере находится в крайней напряженности. Напряженность выражается в круговороте всех биофильных химических элементов. Биосфера по В. И. Вернадскому — земная оболочка, область существования живого вещества. Она включает в себя не только живые организмы, но и измененную ими среду обитания (кислород в атмосфере, горные породы органического происхождения и т. п.). Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4 • 1012 т (около 0,01% массы всей биосферы): 97% приходится на растения, 3% — на животных. Живые организмы располагаются на поверхности Земли, в верхней части литосферы, в гидросфере, тропосфере и в нижней части стратосферы. Особенности распределения биомассы на Земле: Биомасса составляет 0,01 % массы всей биосферы. Самые устойчивые биогеоценозы — лес, почва, Мировой океан. Биомасса увеличивается от полюсов к экватору. В океане — 0,1% биомассы Земли. КПД использования солнечной энергии: в океане — 0,04%; на суше — 0,1%. Превращение энергии. Солнечная энергия — поток энергии Солнца (1021 кДж/год) 42 % отражается в космос; 58% поглощается атмосферой, почвой (в том числе 20% — в виде тепла, 10% — на испарение воды). 18 • 1017 кДж энергии Солнца переходит в энергию химических связей. Зеленые растения образуют 1011 т органических веществ в год, поглощают 17 • 1010 т СО2, выделяют 11,5 • 1010 т О2, испаряют 16 • 1012 т Н2О. Биологический круговорот. В ходе выполнения функций организмы разных царств играют определённую роль в биологическом круговороте — биогенной миграции атомов разных химических элементов в биосфере из неживой природы в состав живых организмов, переходе в другие организмы по цепям питания и возвращении в неживую природу.  Эволюция живого на Земле приводит к эволюции всей биосферы. В. И. Вернадский, рассматривая вопрос об эволюции геологических оболочек под действием живого вещества, отмечал, что человек становится всё более мощной геологической силой. Эволюция биосферы (этапы развития биосферы по В. И. Вернадскому): Возникновение жизни и первичной биосферы. Ведущие факторы — геохимические и климатические изменения на Земле. Усложнение структуры биосферы в результате появления много численных и разнообразных эукариот (одноклеточные, многоклеточные). Движущий фактор — биологическая эволюция. Возникновение человека, чело веческого общества и постепенном превращение биосферы в ноосферу. Одно из условий ноосферы в будущем — открытие новых источников энергии. Глобальные изменения в биосфере Глобальные изменения в биосфере, вызванные деятельностью человека: парниковый эффект (повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса); кислотные дожди (дожди, при которых наблюдается понижение водородного показателя (pH), дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами, обычно оксидами серы и оксидами азота); нарушение озонового экрана (разрушение озонового слоя на 50% увеличило бы УФ-радиацию в 10 раз, что повлияло бы на зрение человека и животных и могло бы оказать др.; исчезновение же озонового слоя привело бы к непредсказуемым последствиям — вспышкам рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира); эрозия почв и опустынивание; загрязнение водоемов; смог; вырубка лесов. Виды загрязнения биосферы: физическое — тепловое, шумовое, радиоактивное, электромагнитное; химическое — соли тяжелых металлов, инсектициды и пестициды, нефтепродукты, пластмассы; биологическое — привнесение человеком в экосистемы нехарактерных для них живых организмов; особенно опасно загрязнение среды возбудителями инфекций (чума, холера, СПИД); в связи с развитием генной инженерии не исключено попадание в экосистемы генетически измененных микроорганизмов, растений и животных. Ноосфера — новое состояние биосферы, при котором определяющим фактором развития становится умственная деятельность человека. Охрана природы — рациональное использование природных ресурсов; система научно обоснованных мер, направленных на сохранение, рациональное (неистощительное) использование и воспроизводство природных ресурсов, в том числе на сбережение видового разнообразия (генофонда). Виды, нуждающиеся в охране, занесены в Красные книги. Экологическое мышление — анализ хозяйственных решений с точки зрения улучшения и сохранения окружающей среды. Устойчивое развитие биосферы — процесс изменений, в котором согласованы процессы эксплуатации природных ресурсов. Экологическая устойчивость должна обеспечивать целостность биологических и физических природных систем, а также защиту их от агрессивного антропогенного воздействия и максимально возможное смягчение воздействия выбросов различных предприятий на окружающую среду. Особое внимание уделяется поддержанию жизнеспособности и биологического разнообразия экосистем, от многообразия которых зависит глобальная стабильность всей биосферы. Природоохранные мероприятия: Создание замкнутых производств (безотходных). Защита природы от вредных выбросов. Учет экологического баланса при планировании новых строек, лесозаготовок, мелиорации. Полное использование извлекаемых ресурсов и отходов. Овладение чистыми источниками энергии (солнца, ветра, волн, подземного тепла). Борьба с эрозией почв. Принципы сохранения среды жизни сформулированы в 70-х гг. XX в.: необходимость разнообразия природы для её устойчивого развития; потенциальная полезность каждого компонента; всеобщие связи в живой природе.  |