Лекции. Тема 1 Предмет и задачи экологии. Экология междисциплинарная область знания

• Название: Тема 1 Предмет и задачи экологии. Экология междисциплинарная область знания
• Дата: 05.01.2023
• Размер: 366 Kb.
• Имя файла: Лекции.doc
• Тип: Документы; #873672
• страница: 2 из 6

Тема 3: Экологические системы

1. 
   Уровни организации природных систем.
   
2. 
   Состав и функциональная структура экосистемы.
   
3. 
   Отношения организмов в рамках экосистемы.
   
4. 
   Стабильность и развитие экосистем.
   

1. Уровни организации природных систем
Окружающая среда (атмосфера, гидросфера, литосфера) и живые организмы нашей планеты образуют глобальную систему – биосферу. Она обладает мощной жизнеспособностью благодаря большому разнообразию составляющих её систем более низкого уровня.

Принято выделять несколько уровней организации природных систем.

1. 
   Молекулы.
   
2. 
   Клетки.
   
3. 
   Ткани.
   
4. 
   Органы.
   
5. 
   Многоклеточный организм.
   
6. 
   Виды.
   
7. 
   Популяции.
   
8. 
   Биоценозы.
   
9. 
   Биогеоценозы.
   
10. 
    Биосфера.
    

На любом уровне организации природные системы обладают следующими свойствами:

А). Природные системы состоят из взаимосвязанных и взаимозависимых компонентов, которые соединены друг с другом прямыми и обратными связями.

Б). Любая исследуемая система является элементом системы более высокого уровня.

В). Элементы какой-либо исследуемой системы в свою очередь выступают как системы более низкого ранга. (Рассматривая клеточный уровень как систему, необходимо учитывать, что молекулярный уровень в этом случае рассматривается как подсистема).

Г). На всех уровнях наблюдается упорядоченность обмена веществом, энергией, информацией.
В организации и функционировании биосферы - сложной оболочки, объединяющей все формы жизни, целесообразно рассмотреть следующие уровни, которые являются основными объектами изучения в экологии:

1. 
   Популяция – группа организмов определённого вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности в постоянно изменяющихся условиях среды.
   
2. 
   Биоценоз – совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Для этих живых организмов характерна тесная взаимосвязь, сложившийся круговорот энергии, веществ. Биоценоз является продуктом естественного отбора.
   

Пространство, заселённое биоценозом, называется биотопом. Т.о. биотоп является местом существования (обитания) биоценоза.

3. 
   Биогеоценоз (экосистема) – совокупность сообщества живых организмов и среды. Иными словами, биоценоз (биотическая составляющая) и биотоп (абиотическая составляющая) образуют систему более высокого ранга – биогеоценоз.
   

биогеоценоз

биоценоз (биотическая часть)

биотоп (абиотическая часть)


Л итосфера Гидросфера Атмосфера Фитоценоз Зооценоз Микробоценоз

Массив поверхностные атмосферный

Горных воды воздух

пород

автотрофные гетеротрофные

земная подземные почвенный (продуценты) (консум., редуценты)

п оверхность воды воздух организмы организмы
почвы атмосферная газы, раст-

влага ворённые

в воде
газы, раст-

ворённые в

горных

породах

Рис. 3 Биогеоценоз как совокупность биоценоза и биотопа.

4. 
   Биосфера – высшая ступень иерархии, совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.
   

2. 
   Состав и функциональная структура экосистемы
   

Каждая экосистема имеет собственное материально – энергетическое обеспечение и определённую функциональную структуру, основанную на пищевых или трофических (от греч. trophos) взаимоотношениях. Эта структура представлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определённую работу в круговороте веществ.

Ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый может служить пищей последующему, носит название цепи питания. Организмы, относящиеся к одному такому звену, образуют один трофический уровень. В экосистеме присутствуют следующие звенья трофической цепи:

Автотрофы(фитоценоз)– организмы, которые создают органические соединения из неорганических составляющих в процессе фотосинтеза (аккумулируя солнечную энергию). К автотрофам относятся высшие зелёные растения, лишайники, водоросли и бактерии, которые имеют фотосинтезирующие пигменты. Автотрофные организмы также называют продуцентами (от лат. Producenyis – тот, что производит). К этому типу принадлежат растения, которых на Земле более 350 000 видов. Синтезированная автотрофами новая биомасса органического вещества – это первичная продукция, а скорость её образования – биологическая продуктивность экосистемы. Автотрофы образуют первый трофический уровень экосистемы.

Гетеротрофы - Химические соединения, которые образуют продуценты, заключают в себе энергию. С питанием эту энергию получают гетеротрофы и используют в процессе своей жизнедеятельности. В экологии гетеротрофов разделяют на консументы (зооценоз) и редуценты (микробоценоз).

Консументы – потребители готовой органической продукции. Различают консументов 1-го и 2-го порядков. Консументы 1-го порядка – травоядные, 2-го порядка – хищники. Консументы 1-го и 2-го порядка занимают соответственно второй, третий, а иногда и следующие уровни в экосистеме.

Редуценты – восстановители, существующие за счёт энергии отмирающего вещества. Обеспечивают его минерализацию с получением исходных минеральных компонентов в виде, удобном для использования растениями в производстве органической продукции. К редуцентам относятся бактерии и низшие грибы.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа, формируя и поддерживая экологическую среду экосистемы.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, т.е. элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется однократно. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом этапе трансформации энергии значительная её часть неизбежно рассеивается в виде теплоты.

Закон однонаправленности потока энергии в экосистеме: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передаётся консументам первого, второго и других порядков, а затем редуцентам, что сопровождается потерей определённой части энергии на каждом трофическом уровне как следствие процессов, которые сопровождают дыхание.

Движение энергии и вещества от первого трофического уровня продуцентов к последнему звену сопровождается превращением энергии и большими её потерями. От одного трофического уровня до другого биомасса и количество энергии уменьшается приблизительно в 10 раз. Вследствие этого цепь питания не может быть длинной – на суше она состоит из 4 – 6 звеньев, 5-6 звеньев в океане.

Закон пирамиды энергии Р. Линдемана (1942 г.): с одного трофического уровня экологической пирамиды на следующий переходит в среднем не больше 10% энергии.

Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее не больше 0,25 – 0,5%, поэтому говорить про круговорот энергии можно только условно.

В соответствии с этим законом можно выполнять расчёты земельных площадей и лесных угодий с целью обеспечения населения продовольствием и другими ресурсами.

«Кто, кого и сколько поедает» показывает пример длинной пищевой цепи обитателей арктического моря:

м икроводоросли (фитопланктон) мелкие растительноядные ракообразные (зоопланктон) рыбы (возможны 2-3 звена последовательности хищных рыб)

т юлени белый медведь.

Ещё один пример. Человек съедает большую рыбу. Её пищу составляют мелкие рыбы, потребляющие зоопланктон, который живёт за счёт фитопланктона, улавливающего солнечную энергию. Подсчитано, что для построения 1 кг тела человека требуется 10 тыс. кг фитопланктона..

Благодаря определённой последовательности пищевых отношений можно упрощённо изобразить трофические уровни переноса веществ и энергии в экосистеме, связанные с питанием определённой группы организмов.




мальчик – 42 кг, (1)

прибавка тканей – 34,7 кДж

телятина – 962 кг (4,5)

продуцировано телятины – 5*10³ кДж



растения люцерны – 8*10³ кг (2*10⁷)

продуцировано люцерны – 62,4*10³кДж




получено солнечной энергии 2,64*10⁸ кДж

Рис.3. Пример простой трофической пирамиды (по Ю. Одуму, 1975)
Совокупности трофических уровней различных экосистем моделируются с помощью трофических пирамид численности (на рис.3 это числа, взятые в скобки), биомасс (числа, выделенные жирным шрифтом), энергий (числа, выделенные курсивом).
3. Отношения организмов в рамках экосистемы
Ареалы распространения и численность организмов каждого вида ограничиваются не только условиями внешней неживой среды, но и их отношениями с организмами других видов. Непосредственное живое окружение организма составляет его биотическую среду, а факторы этой среды называются биотическими (см. Биосфера). Представители каждого вида способны существовать в таком окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни.

1. 
   Отношения между живыми организмами являются одним из регуляторов численности и пространственного распределения организмов в природе;
   
2. 
   Негативные взаимодействия между организмами проявляются на начальных стадиях развития сообщества или в нарушенных природных условиях. В недавно сформировавшихся или новых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях;
   
3. 
   В процессе эволюции экосистем обнаруживается тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий за счёт положительных, повышающих выживание взаимодействующих видов.
   

Примерами отношений между организмами в рамках экосистемы выступают следующие связи:

Нейтрализм – отсутствие прямой зависимости одного вида от жизнедеятельности другого.

Аменсализм – одностороннее угнетение, примером которого могут служить затенение елью растущих под ней светолюбивых трав, подавляющее действие антибиотиков на микроорганизмы.

Коменсализм – отношения, которые выгодны одному из взаимодействующих видов. Это отношения акулы и рыбы – прилипалы, льва и грифов – падальщиков.

Конкуренция – отношения, являющиеся одним из главных механизмов регулирования численности организмов в природе. Двухстороннее взаимное угнетение имеет место всегда, когда совпадают экологические ниши и ограничена ёмкость среды.

«Ресурс – эксплуататор» - Наиболее важными примерами такого взаимодействия являются отношения:

• 
  растения и растительноядного хищника;
  
• 
  жертвы и хищника;
  
• 
  «хозяина» и паразита.
  

Мутуализм – взаимное положительное воздействие широко распространено в природе. Примеры мутуализма – взаимовыгодные отношения между цветковыми растениями и опыляющими их насекомыми и птицами, между тлёй и «пасущими» её муравьями.
Экологическая ниша
Экологическая ниша – абстрактное понятие, отражающее всю совокупность жизненных условий, необходимых для существования того или иного вида, его роль в биологическом сообществе.

Для каждого вида организмов существует специфическое сочетание экологических факторов, которое определяет особое пространственное и функциональное положение этого вида в составе биогеоценоза, его рабочее место в экосистеме. Моделью экологической ниши может служить многомерное экологическое пространство, образованное совмещением диаграмм выживания для существенных факторов среды.

Расселяясь в биоценозе, все живые организмы, находящиеся в тесном взаимодействии, обеспечивают существование друг друга. От разнообразия живых организмов, от числа экологических ниш будет зависеть полнота и скорость круговорота веществ и энергии в биогеценозе. Однако два вида, которые занимают одну экологическую нишу не могут сосуществовать бескончно долго. Об этом говорит зако конкурентного исключения.

Закон конкурентного исключения: два вида, которые занимают одну экологическую нишу, не могут сосуществовать бесконечно долго. Победа одного из видов зависит не только от внешних условий. Важным условием является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции приводит к его вытеснению и необходимости приспособления к более сложным условиям существования.
4. Стабильность и развитие экосистем
В естественных экосистемах постоянные изменения состояния популяций организмов вызываются различными причинами (погодными условиями, сезонными колебаниями температуры и т. д.). Однако все эти колебания более или менее регулярны и не выходят за рамки устойчивости экосистем – её размера, видового состава, продуктивности, соответствующих географическим и климатическим условиям местности. Такое состояние экосистемы называется климаксным. Любой экосистеме, функционирующей в оптимальных условиях присуще постоянство важнейших экологических параметров, называемое гомеостазом. Оно характеризуется устойчивостью, динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением энергии и вещества.

Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру и чем богаче и разнообразнее её видовой и популяционный состав.

Стремясь к поддержанию гомеостаза, экосистемы способны к изменениям, к развитию, к переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения географической обстановки, ландшафта, под влиянием природных катастроф, деятельности человека приводят к последовательным изменениям состояния биогеоценозов местности. Последовательная смена одного биогеоценоза другим называется экологической сукцессией.

Воздействие сил, которые изменяют качественные и количественные характеристики круговорота веществ и энергии, обычно подвергает биоценоз изменениям или уничтожает его. На месте ранее функционировавшего биоценоза постепенно возникает и развивается новое сообщество живых организмов.

Рассмотрим развитие событий в случае уничтожения (исчезновения) исходного биоценоза (пожар, затопление территории, осушение). В этом случае на первом этапе возникает и функционирует простейший биогеоценоз, включающий ограниченное количество видов растений и животных. Постепенно простые биогеоценозы сменяются более сложными. Это происходит тогда, когда накапливается достаточное количество доступных материальных и энергетических ресурсов, обеспечивающих возникновение новых экологических ниш и продолжается до тех пор, пока не появляется такой биогеоценоз, в котором биотические и абиотические отношения отвечают потребностям сообщества живых организмов (климаксное состояние). Такой биогеоценоз создаётся путём естественного отбора тех составляющих его природных систем, которые в состоянии максимизировать поступающую энергию.

Закон максимизации энергии (сформулирован Г. и Ю. Одумами, дополнен М. Реймерсом): В конкуренции с другими системами сохраняется та, которая наиболее способствует поступлению энергии и информации и использует максимально возможную их величину наиболее эффективно.

Система создаёт накопители высококачественной энергии, часть из которой использует на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальный круговорот веществ и создаёт механизм регулирования, поддержки устойчивости системы, её способности приспосабливаться к изменениям, налаживает обмен с другими системами. Это значительно повышает шансы на выживание.
Пример экологической сукцессии:
ОЗЕРО - БОЛОТО – ЛУГ – ЛИСТВЕННЫЙ ЛЕС – ХВОЙНЫЙ ЛЕС
Водную экосистему сменила экосистема леса.Наряду с естественной сукцессией мы можем наблюдать и сукцессию, как результат человеческой деятельности – освоение новых территорий, размещение производственных площадей и жилой застройки.
Естественные факторы




С укцессия НТР

Антропогенные факторы

увеличение

численности населения

Вмешательство процессов, вызванных хозяйственной деятельностью человека, вносит свои корректировкив процессы, протекающие в биосфере.