Экология лекции. Введение в экологию л 1 Экология
 Скачать 1.08 Mb.
|
Структура биогеоценоза                   Помимо пяти основных крупных слагающих компонентовбиогеоценоза, которые составляют его функциональную структуру, в его пределах можно выделить более мелкие морфологические структурно- функциональные элементы – консорции. Консорция – совокупность разнородных организмов, жизнедеятельность которых в пределах биогеоценоза связана на основе пищевых (трофических) и пространственных (топических) связей с центральным видом (консоргентом), автотрофным организмом (зеленое растение). Консорция объединяет автотрофные и гетеротрофные организмы, которые тесно связаны между собой на основе пространственных и пищевых взаимоотношений и зависят от центрального вида, или ядра. Экологическая система, или экосистема - основная функциональная единица в экологии, т.к. в нее входят организмы и неживая среда. Термин «экосистема» впервые был применен в 1935 г. А. Тенсли. Структура экосистемы формируется потоком энергии и круговоротом веществ. Экосистема - это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно- следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами. Экосистема обладает общими свойствами:
Система может находиться в состоянии равновесности и неравновесности, при этом ее поведение существенно различается. В соответствии со 2-м законом термодинамики к равновесному состоянию приходят все закрытые системы (системы не получающие энергии извне). Подавляющее большинство систем относится к открытым, обменивающимся с окружающей средой энергией, веществом и информацией;
Любая живая система представляет собой динамическую открытую систему;
Основные сообщества состоят из продуцентов, консументов и редуцентов. В пределах названных групп отдельные виды могут принимать главенствующее участие в регуляции энергетического обмена и оказывать более заметное влияние на среду обитания других видов. Такие виды называются экологическими доминантами. Степень доминирования в сообществе одного или нескольких видов выражается показателем доминирования, который отражает значение каждого вида для сообщества. Показатель доминирования (с), отражающий степень доминирования каждого вида в сообществе, определяется как сумма квадратов отношений показателей значимости видов (ni) к общей оценке значимости (N): c = (ni / N)2 Для оценки видового разнообразия используются следующие критерии: видовое богатство (d), показатель выравненности (e), показатель общего разнообразия (H), или показатель Шеннона: Видовое богатство (d): d1 = (S-1) / log N ; d2 = S / 100 особей Показатель выравненности (e): e = H / log S S-число видов, Н- общая оценка значимости вида Показатель общего разнообразия (H), или показатель Шеннона: H = (ni / N) log (ni / N) или H = Pi log Pi ni – оценка «значимости» для каждого вида, Pi –вероятность «значимости» для каждого вида Pi n / N Биотические сообщества классифицируются в соответствии: с основными структурными показателями; с условиями обитания сообществ; с функциональными особенностями. Виды экосистем: микроэкосистемы (ствол гниющего дерева); макроэкосистемы (континент, океан); глобальная (биосфера). В каждой экосистеме два основных компонента: организмы и факторы окружающей среды. Совокупность организмов (растений, животных, микробов) называют биотой экосистемы. Экосистему можно разделить на два яруса:
Особенности потока энергии и биогенных элементов в экосистемах определяют продуценты, консументы и редуценты. Продуценты (от лат. - производящий, создающий) представлены автотрофными организмами, которые в зависимости от источников энергии, используемых на синтез органических веществ в клетке, разделяются на две группы: фототрофы, хемотрофы. Кфототрофамотносятся наземные зеленые растения, водоросли, фототрофные бактерии, способные к осуществлению фотосинтеза. Хемотрофы – микроорганизмы, ассимилирующие органические соединения путем хемосинтеза. Процесс синтеза органического вещества осуществляется за счет энергии, получаемой путем окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. К хемосинтезирующим организмам относятся серобактерии (виды, окисляющие кислород), нитрифицирующие бактерии (виды, превращающие аммиак в нитриты, а затем в нитраты). Гетеротрофные организмы – организмы, использующие в качестве энергии и источника питания органические вещества, синтезированные другими организмами. К ним относятся все животные, грибы, большинство бактерий и бесхлорофильные наземные растения и водоросли. В экосистемах гетеротрофные организмы разделяют на:
Консументы (от лат. - потребляю) – потребители органического вещества, произведенного автотрофами. Консументы питаются живым (биофаги) или мертвым (сапрофаги) органическим материалом. Среди биофагов могут быть выделены растительноядные организмы или фитофаги (первичные консументы), зоофаги - (вторичные консументы) и конечные потребители - вершинные хищники. Редуценты ( от лат. – возвращающий, восстанавливающий) – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом и подвергающие его минерализации до более или менее простых соединений, которые затем используются продуцентами. К ним относятся главным образом бактерии и грибы. В зависимости от того, какие организмы разлагают органическое вещество и в каких условиях, выделяют два процесса: дыхание (аэробное и анаэробное) и брожение. Аэробное дыханиепротекает в присутствии атмосферного кислорода, который служит акцептором (окислителем) электронов. Аэробное дыхание обратно фотосинтезу, т.е. оно направлено на разложение синтезированного органического вещества до углекислого газа и воды с высвобождением энергии. С помощью этого процесса высшие растения и многие виды животных получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения новых клеток собственного организма. Анаэробное, или бескислородное, дыхание происходит при отсутствии в окружающей среде свободного кислорода. К анаэробному дыханию приспособлены денитрифицирующие бактерии, некоторые кишечные паразиты, большинство гетеротрофных почвенных организмов. Окислителем служит не кислород, а другое органическое и неорганическое соединение. Анаэробное дыхание служит основой жизнедеятельности главным образом сапрофитов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие). Брожение - процесс анаэробного ферментативного расщепления органического вещества различными микроорганизмами, при котором высвободившаяся энергия используется для биосинтеза различных жизненно важных аминокислот, белков. При брожении окисляемое органическое соединение само служит окислителем (акцептором электронов). Процессы, протекающие с участием дрожжей, имеют практическую ценность для человека, участвуют в процессах почвообразования (разложение растительных остатков). В экосистеме пищевые и энергетические связи всегда однозначны и идут в направлении: автотрофы ------ > гетеротрофы или автотрофы -----> консументы ------> редуценты (деструкторы) Эти живые компоненты (продуценты, консументы, редуценты) рассматриваются как три функциональных царства природы, т.к. их разделение основано на типе питания и используемом источнике энергии. Экосистемы подразделяются на: - естественные – природные; - созданные человеком - антропогенные. Для естественной экосистемы характерны три признака:
Биом - это макросистема, совокупность экосистем, тесно связанных климатическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности. Биом(по определению Одума) представляет собой «крупную региональную или субконтинентальную экосистему, характеризующуюся каким – либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта, например, биом лиственных лесов умеренного пояса». Биомная классификация экосистем основана на преобладающем типе растительности в крупных регионах. Выделяют девять основных типов сухопутных биомов: тундра, тайга, лиственные леса умеренной зоны, степи умеренной зоны, растительность средиземноморского типа, пустыни, тропические саванны и лугопастбищные земли, тропическое или колючее редколесье, тропические леса.Наземные экосистемы (биомы) входят в состав биосферы и в основном определяются растительностью. Водные системы меньше зависят от климата. Они формируются в зависимости глубины водоема, содержания растворимых солей, глубины проникновения солнечных лучей, количества растворенного в воде кислорода, доступности питательных элементов и температуры воды. Водные экосистемы могут постепенно превращаться в наземные. Экосистемы наземные водные    пресноводные   морские Тундра (арктическая и альпийская) Хвойные леса Степи умеренной зоны Пустыни (травянистая и кустарниковая) Саванны  Лентические (стоячие воды)- озера, пруды Лотические (текущие воды) -реки, ручьи Заболоченные угодья (болота, болотистые леса) Открытый океан Прибрежные воды Устья рек Глубоководные зоны Основной принцип функционирования экосистем: они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно (характеристиками солнечной энергии являются: избыток, чистота, постоянство, вечность). Гомеостаз и сукцессия экосистем Относительно стабильное соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов на Земле существует благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции, которая поддерживает экологическое равновесие в биосфере. Саморегуляция экосистем обеспечивается внутренними механизмами, устойчивыми взаимодействиями между их компонентами, трофическими и энергетическими связями. В экосистемах управление основано на обратных связях, когда часть сигналов с выхода из системы вновь поступает на вход, регулируя состояние системы на выходе. Обратные информационные связи необходимы для сохранения равновесия в экосистемах. Они бывают положительными и отрицательными. Положительная обратная связь является «саморазгоняющейся». Она усиливает однонаправленные изменения в системе дополнительной информацией, поступающей с выхода системы на вход. Отрицательная обратная связь – это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий. Для живых систем используют термин гомеостатические механизмы или гомеостаз - механизмы, поддерживающие стабильное состояние. В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки». Гомеостаз - это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды с помощью обратных связей. Все живые существа и человек, так же как и экосистемы, являются саморегулирующимися гомеостатическими системами, поддерживающими равновесие главным образом за счет отрицательных обратных связей. Экосистема способна поддерживать относительную стабильность своего состояния. Стабильность экосистем означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям. Выделяют два типа устойчивости: 1. резистентную - это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции; 2. упругую – способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций. Огромное значение в сохранении стабильности биосферы в целом имеет биологическое разнообразие. Биоразнообразие - наиболее ценный ресурс планеты, который возник в результате естественного отбора за миллиарды лет при взаимодействии двух процессов: видообразования и вымирания видов. Биоразнообразие включает два понятия: - видовое – многообразие различных видов организмов внутри биоценоза; - генетическое – многообразие генетических программ у особей одного вида. Одной из особенностей биоценозов является суточная и сезонная или годовая динамика. Суточная динамика биогеоценозов связана с ритмикой природных явлений и носит строго периодический характер. Более существенные отклонения наблюдаются при сезонной динамике. Они обусловлены биологическими циклами организмов, зависящими от сезонной цикличности природных явлений. Закономерное развитие экосистем во времени называют экологической сукцессией. Экологическая сукцессия – это закономерная последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одном и том же биотопе под воздействием природных или антропогенных факторов. Выделяют два типа сукцессий:
Скорость сукцессий различна. Для первичных сукцессий требуются сотни и тысячи лет. Вторичные протекают быстрее. Сукцессии обычно начинаются в незрелых несбалансированных сообществах, у которых скорости продукции органического вещества П либо больше, либо меньше скорости дыхания Д. Сообщество стремится к более стабильному, зрелому состоянию, где П = Д. Сукцессия, начинающаяся:
Отношение П / Д является функциональным показателем зрелости экосистем. Автотрофная сукцессия - широко распространенное в природе явление, которое начинается в незаселенной среде. Она характеризуется длительным преобладанием автотрофных организмов, при котором соотношение П / Д > 1. В процессе сукцессии П / Д стремится к 1. При П > Д постепенно растут биомасса организмов Б и отношение биомассы к продукции Б / П, т.е. увеличиваются размеры организмов. По мере роста продукции П растет и величина ее расходов на дыхание Д. Гетеротрофная сукцессия характеризуется преобладанием в системе редуцентов и встречается тогда, когда среда пересыщена органическими веществами. При гетеротрофных сукцессиях отношение П / Д < 1, а органические вещества могут постепенно разлагаться и исчезать, и тогда из-за отсутствия автотрофных процессов система может разрушиться. Обычно система стремится к стабильному состоянию, при котором П / Д = 1. Изменения основных характеристик экосистем при аутогенных сукцессиях отличаются от изменений, происходящих при аллогенных сукцессиях, причинами которых является воздействие человека. Аутогенные сукцессии – это естественное закономерное биотическое развитие экосистем, идущее по автотрофному типу. В процессе сукцессии популяции организмов и функциональные связи между ними закономерно и обратимо сменяют друг друга. Аутогенная сукцессия – это направленное предсказуемое и обратимое развитие экосистемы до установления равновесия между биотическим сообществом – биоценозом и абиотической средой – биотопом. Аллогенные сукцессии экосистем, вызванные человеком, приводят к их упрощению. Состояние стабилизированной экосистемы называется климаксом. Цепь сменяющих друг друга биоценозов называется сукцессионным рядом. Смены фауны и флоры в истории Земли похожи на медленно протекающие экологические сукцессии. Они тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями и видообразованием. Такие процессы протекают на протяжении миллионов лет и называются эволюцией. Эволюция экосистем представляет собой длительные процессы исторического развития, которые необратимы и ацикличны. Энергия в экосистемах Л-5 Энергия - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать предметы и организмы, осуществлять круговороты веществ в природе и т.д. Энергия – одно из основных свойств материи - способность производить работу. Энергия используется живыми организмами на: размножение и дыхание; рост биомассы; движение; дыхание; передачу энергии в пределах организма; реакцию на внешние раздражители; поддержание целостности и функций организма. Односторонний приток энергии происходит в результате действия законов термодинамики. Они имеют универсальное значение в природе. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) - энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново (например, свет - одна из форм энергии, т.к. его можно превратить в работу, тепло или потенциальную энергию пищи; энергия при этом не пропадает). Второй закон термодинамики (закон энтропии) - процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует) - (например, тепло более нагретого предмета рассеивается в более холодной среде.). Энтропия - (от греч.- поворот, превращение) - мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. Выделяют два вида энергии:
Качество энергии - ее способность совершать работу, т.е. ее эксергия. Эксергия - это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой. Использование в экосистемах различных источников энергии-Солнца, химического топлива - позволило выделить 4 фундаментальных вида экосистем по энергетическому признаку:
Перенос энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой (трофической) цепью, или цепью питания. Трофические цепи делятся на два основных типа:
Типичные схемы пищевых цепей
| ||||||||||||||||||||||||||||