Предмет экологии. Предмет и задачи экологии. Законы лимитирующих факторов. Общий характер действия экологических факторов Состав экосистемы биоценоз
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Предмет и задачи экологии Классификация экологии. Экологические факторы, общие понятия к каждой группе факторов. Лимитирующие факторы. Законы лимитирующих факторов. Общий характер действия экологических факторов Состав экосистемы: - биоценоз - биотоп. Экологическая ниша. Трофические взаимодействия. Экологическое дублирование. ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИИ Экология – наука, изучающая существование живых организмов и взаимосвязи между организмами и между организмами и средой обитания. Главный объект экологии это экосистема. Экосистема – это единый комплекс, образованный организмами и средой. Предметом экологии является совокупность и структура связи между организмами и средой. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКОЛОГИИ Основной частью экологии является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды. В составе общей экологии выделяют: а) аутэкология – изучает индивидуальные связи отдельного организма и среды. б) синэкология – изучает взаимоотношения популяций сообществ, экосистем со средой. в) популяционная (демэкология) – изучает структуру и динамику популяций отдельных видов. Исходя из факторов времени экологию разделяют на историческую и эволюционную. Кроме того экология классифицируется по конкретным объектам и средам обитания (это экология растений, животных, микроорганизмов и т.д.). На стыке экологии с другими науками развиваются: - инженерная экология - сельскохозяйственная - космическая - математическая. Экологическими проблемами Земли, как планеты занимается глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера, как глобальная экосистема. С научно-практической точки зрения экологию делят на теоретическую и прикладную. Теоретическая экология – изучает общие закономерности организации жизни. Прикладная экология – изучает механизмы разрушения человеком биосферы, способы предотвращения этого процесса, разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Ее научную основу составляют общие экологические законы, правила и принципы. ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Общетеоретические задачи: 1. Разработка общей теории устойчивости экосистем. 2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде. 3. Исследование регуляции численности популяции. 4. Изучение биоразнообразия и механизмов его поддержания. 5. Исследование продукционных процессов. 6. Исследование процессов, протекающих в биосфере с целью поддержания ее устойчивости. 7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. ОСНОВНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ: 1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека. 2. Улучшение качества окружающей природной среды. 3. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов. 4. Оптимизация инженерных, экономических организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития. СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ЭКОЛОГИИ Стратегическая задача экологии – это развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ. Организм получает информацию из окружающей среды в виде определенных факторов сигналов и реагирует на них. Экологические факторы – это определенные условия элементов среды, которое оказывают воздействие на организмы. Экологический фактор - это элемент или условие среды, на который реагирует организм. Экологические факторы разделяют на: - абиотические - биотические - антропогенные. 1)Абиотические факторы – это совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Их различают на: - физические - химические - эдафические. а) Физический фактор – это тот, источником которого служит физическое состояние или явление (температура, влажность, ветер). б) Химический фактор – это тот, который происходит от химического состава среды (соленость воды). в) Эдафический фактор (почвенный) – это совокупность химических, физических, механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие на организмы, которые живут на поверхности и внутри почвы. 2)Биотические факторы это совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на неживую (природу) среду обитания (микроклимат в лесу). Их различают на: - внутривидовые - межвидовые а) Внутривидовые складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции. Групповой и массовый эффекты – это объединение животных одного вида в группы по двум или более особей и эффект вызванный перенаселением среды (демографический фактор). Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, основу которой составляет внутривидовая конкуренция. Она проявляется в территориальном поведении животных, которые защищают места своего обитания и площадь в округе. б) Межвидовые взаимоотношения: - аменсализм - конкуренция - мутуализм - протокооперация - комменсализм - хищничество - антибиоз - симбиоз. Антибиоз – особи одного вида выделяют определенные вещества, которые оказывают угнетающее воздействие на особей другого вида. Нейтрализм- это когда оба вида не зависимы и ни оказывают никакого воздействия друг на друга. Мутуализм - организмы не могут существовать друг без друга. Протокооперация – оба вида сообразуют сообщества, но могут существовать и отдельно, хотя сообщество приносит им пользу. Аменсализм – один вид (агрессивный) вызывает у другого вида ослабление роста и иммунитета, причем 1-й вид приносит вред другому виду и не получает от этого ни какой пользы. Конкуренция - каждый вид оказывает на другого неблагоприятное воздействие. Комменсализм – 1-й вид комменсал извлекает выгоду от сожительства, а другой вид выгоды не получает. Симбиоз – это любое сожительство организмов различных видов, приносящее пользу хотя бы одному из них. Различают четыре вида симбиоза: - взаимовыгодный - квартиранство - нахлебничество - паразитизм. 3) Антропогенные факторы – факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающие факторы. Положительные факторы: посадка лесов, создание новых видов животных и растений. Отрицательные факторы: кислотные дожди, парниковый эффект, вырубка лесов, озоновые дыры. ЛИМИТИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ. ЗАКОНЫ ЛИМИТИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ. Лимитирующие фактор – это факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за их недостатка или их избытка по сравнению с потребностью. ЗАКОН МИНИМУМА (ЮСТУС ЛИБИХ): Урожай (продукция) зависит от факторов находящихся в минимуме (закон касается химических элементов). Факторы могут быть лимитирующими, находясь и в максимуме. ЗАКОН МИТЧЕРЛИХА: Урожай зависит от совокупного действия всех факторов жизни растений (температура, влажность и т.д.) ЗАКОН НЕЗАВИСИМОСТИ ФАКТОРОВ ВИЛЬЯМСА: Условия жизни равнозначны, не один из факторов не может быть заменен другим. ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТИ ШЕЛФОРДА: Толерантность - степень устойчивости, величина выносливости к тем или иным факторам. Формулировка закона: «отсутствие или невозможность процветания, определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или избытком любого из ряда факторов, уровень которого может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом» Любой живой организм имеет определенный эволюционно унаследованные верхний и нижний предел устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору. ОБЩИЙ ХАРАКТЕР ДЕЙСТВИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ При небольших значениях или чрезмерном увеличении фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или максимальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма. Диапазон действия или зона толерантности (выносливости) экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума(1,3), максимума(2)) данного фактора, при которых возможно существование организма (рис.1).  Точка на оси абсцисс, которая соответствует наилучшему показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора это точка оптимума(2). Так как определить оптимальное значение фактора с высокой с высокой точностью бывает трудно , говорят о диапазоне значении последнего – о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, три точки (оптимума, минимума и максимума) составляют три кардинальные точки которые определяют возможные реакции организма на данный фактор. Крайние участки кривой выражающие состояние угнетения при недостатке или избытке фактора называются зонами пессимума. Рядом с критическими точками лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности – летальные значения фактора, при которых наступает гибель организма. Условия среды, в которых какой – либо фактор (или совокупность факторов ) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии часто называют экстремальными. Организмы для жизни которым требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называются стенотермными, а способные жить в широком диапазоне температуры эвритермные. Организмы называются соответственно стенобионты и эврибионты. Стенос от латинского узкий, и эврий от латинского широкий. СОСТАВ ЭКОСИСТЕМЫ Состав экосистемы: - биоценоз + = биогеоценоз (экосистема) - биотоп Биоценоз – это группировка (совокупность) взаимодействующих между собой разных видов организмов, обитающих на одной территории (разные виды организмов). Биотоп - условия окружающей среды на определенной территории (воздух, вода, почва). Биогеоценоз – совокупность абиотических и биотических компонентов, имеет особую специфику взаимодействия и определенный тип обмена вещества и энергии. Экосистема – это совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения. ТРОФИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Трофические взаимодействия - это пищевые взаимодействия, они регулируют всю энергетику экосистемы в целом, основанные на принятии пищи. Все организмы делятся на гетеротрофы и автотрофы. Автотрофы – используют неорганические источники (вещества) для своего существования (растения, деревья), участвуют в фотосинтезе (прямая реакция). Гетеротрофы – питаются готовыми органическими веществами (животные, человек) (обратная реакция). 8hν(8 квантов красного цвета) СО2 + Н2О −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→ (СН2О)п+О2 (глюкоза, если n=6) Автотрофы Гетеротрофы О2 + О → О3 – озон-образование озонового слоя Автотрофы – продуценты (производители) Гетеротрофы – консументы (потребители). Редуценты – разлагают полуистлевшее вещество на простые вещества (грибы, черви, бактерии). ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША (Э.Н), ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ДУБЛИРОВАНИЕ Унаследованные от предков, требования организмов к состоянию и режиму экологических факторов, определяют границы распространения этого вида к которому эти организмы принадлежат, т.е. определяют ареал , а в пределах ареала конкретные места обитания .Каждый вид растения микроба, животного способен нормально обитать, питаться, размножатся, только в том месте, где его «прописала» эволюция. Каждый вид живых организмов занимает в природе присущую только ему Э.Н. (состав и режим экологических факторов) и места, где эти требования удовлетворяются. Э.Н. вместо вида биоценоза, его положение в пространстве его функциональная роль в соответствии с абиотическими средствами существования. Э.Н. это ответ на вопрос как, где и чем питается вид, чей добычей он является, каким образом и где он размножается. Хатчинсон предложил модель Э.Н. для организма, для которой характерно два лимитирующих фактора (рис 2) и модель Э.Н. для организма которой характерно 3-и лимитирующих фактора (рис 3).  РИС 2 РИС 3 Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организма называют – фундаментальной, а в пределах которой вид реально встречается в природе называется реализованной. Это та часть функциональной ниши, которую данная популяция способна отстоять, в конкурентной борьбе. Э.Н. - это область комбинаций таких значений экологических факторов, в пределах которых данный вид может существовать неограниченно долго. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ДУБЛИРОВАНИЕ В случае исчезновения вида по каким-либо причинам его нишу занимает другой вид, способный выполнять те же обязанности, что и исчезнувший вид, то есть происходит экологическое дублирование. Энергетика экосистемы 1. Энергетика экосистемы 2. Жизнь как термодинамический процесс 3. Экологическое равновесие и его нарушение 4. Биологическая продуктивность экосистемы 5. Экологические пирамиды ЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМЫ Энергия передается от организма к организму, создавающих трофическую цепь, с одного трофического уровня на другой. Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. 1-й трофический уровень продуценты. 2-й трофический уровень растительноядные консументы. 3-й трофический уровень плодоядные консументы. Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного уровня на другой вместе с пищей. Основная часть энергии, усваиваемая консументом с пищей, расходуется на его жизнедеятельность (траты на дыхание, Эд), другая часть энергии переходит в тело (организм) потребителя вместе с увеличением массы - энергия прироста (Эпр) и некоторая часть пищи и связанная с ней энергия не усваивается организмом, она выводится в окружающую среду вместе с продуктами проявления жизнедеятельности (Эпв). Эп – энергия потребл. пищей. (Эп(100%)=(Эд+Эпв)(90%) + Эпр(10%)). В последствии эта энергия усваивается другими организмами. Эпв - продукты выделения. Т.к. большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой трофический уровень теряется на следующий уровень переходит только 10% энергии от предыдущего уровня, из этого следует, что цепь питания имеет ограниченное число уровней (4,5), пройдя через них энергия рассеивается. Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные следствия: образование продукции связанно с рассеиванием энергии и особенно велики потери при переходе с первого уровня на второй. Например: растения, травоядные. Не продуктивно потребление пищи с больших трофических уровней. Образование этой продукции связанно с рассеиванием энергии и особенно велики потери при переходе с 1-го уровня на второй. ЖИЗНЬ КАК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС Термодинамика – это наука об энергии, о принимаемых ею формах, и о правилах ограничивающих превращение энергии из одной формы в другую. 1-е начало термодинамики: Закон сохранения и превращения энергии, т.е. энергия переходит из одного состояния в другое, она не возникает, и не исчезает в ничего. Для 1-го начала термодинамики приминительно к живым организмам: в живом организме в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей, созданного автотрофом органического вещества, которая в последствии переходит от автотрофов к гетеротрофам, не исчезает, а переходит в другие формы, в том числе в тепловую форму, т.е. рассеивается. 2-е начало термодинамики: Согласно 2-у началу термодинамики, если температура какого-либо тела выше, чем температура окружающей среды, то общая температура всей системы стремится к термодинамическому равновесию: тело будет отдавать энергию до тех пор, пока его температура не станет равной температуре окружающей среды. После чего наступает состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы оказывают невозможное. О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия отражает возможности превращения энергии, и рассматривается как мера неупорядоченной системы, хаоса. Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, система должна извлекать упорядоченность организации из вне, т.е. извлекать из окружающей среды отрицательную энергию (негэнтропию). И живые организмы должны выполнять работу против уравновешивания с окружающей средой за счет образования сложноорганизованных упорядоченных молекулярных структур, и для производства этой работы экосистема должна получать собственную энергию или от солнца, если система автотрофна, или извлекая негэнтропию из растительной и животной пищи, используя упорядоченность химических связей, если система гетеротрофна. Возможен случай, когда вся накопленная энергия организма или системы полностью превратиться в тепловую энергию и рассеется. Это произойдет при гибели организма. При этом упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются. Согласно 2-у началу термодинамики энергия любой системы стремится к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние перейдет и живой организм, если лишить его возможности извлекать энергию из окружающей среды. О такой системе говорят, что она имеет максимальную энтропию. Энтропия – отражает возможность превращения энергии, и рассматривается как мера хаоса неупорядоченной системы. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ И ЕГО НАРУШЕНИЕ Экологическое равновесие (э.р.) - состояние экосистемы, при котором состав и продуктивность биотической части в каждый конкретный момент времени наиболее соответствует абиотическим условиям (почва, климат). Главная особенность э.р. –подвижность. Различают 2-а вида подвижности экологического равновесия: - обратимые изменения в экосистеме. - экологические сукцессии 1) Обратимые изменения в экосистеме – изменения экосистемы, например, в течении года от весны к весне, колебании климата в разные годы, изменении роли некоторых видов в связи с ритмами их жизненного цикла. При таких изменениях видовой состав экосистемы сохраняется. Она лишь подстраивается к колебаниям внутренних и внешних факторов. 2) Сукцессия – процессы последовательной смены биоценозов протекающее под влиянием внутренних и внешних факторов. В ходе сукцессии – возрастает продуктивность биоценоза, увеличивается его видовое разнообразие. Однако, прогрессивными процессами характеризуются только сукцессии, связанные с естественными постепенными воздействиями. Если же проходит быстрое массированное нарушение равновесия, часто при вторжении человека, системы не могут восстановить равновесие на прежнем уровне. В лучшем случае они заменяются другими менее продуктивными, в худшем происходит опустынивание т.е. уничтожение или резкое снижение биомассы экосистемы, с невозможностью ее самовосстановления. Экологическое равновесие характеризуется 2-мя важными признаками: 1-е постоянство циклов питания элементов 2-е полное рассеивание поступившей в экосистему энергии. Первый признак касается различных биогенных элементов (азота, углерода) в ходе их круговорота второй признак: экосистема поддерживает равновесие за счет того, что в нее поступает новая солнечная или хим. связанная энергия, которая затем рассеивается, переходя в другие виды энергии. Э.р поддерживается в экосистеме сложными, механизмами взаимоотношений между живым организмами и неживой природой. Сложные механизмы поддерживают равновесие и изменение экосистемы в ходе сукцессии, делают экосистему тонким индикаторам экологических условий. В целом экосистема обладает свойствами саморегуляции, т.е. автоматически устанавливать и поддерживать на относительно постоянном уровне показатели численности, рождаемости и смертности, входящих в нее популяций. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ Одним из важнейших свойств организма – является способность создавать органическое вещество или продукцию. Образование продукта в единицу времени или единицу площади, объема – называется продуктивностью экосистемы. Продукция растений первична, продукция животных вторична. Биомасса экосистемы – вся живая масса, которая содержится в системе независимо оттого, в какой период она образовалась. Она измеряется в Дж, калориях. В экосистеме представленной однолетними организмами их годичная продуктивность и биомасса совпадает. Соотношение биомассы и годовой продукции можно выразить формулой Б=∑А-∑Д Б - биомасса в данный момент времени А - годовая продукция Д - траты на дыхание – это масса живого веществ,а затрачиваемая на жизнедеятельность организма Первичная продукция делится на 2-а уровня: -Валовую -Чистую Валовая - общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени, при данной скорости фотосинтеза, включая траты на дыхание. Та часть валовой продукции, которая не израсходована на дыхание, называется чистой первичной продукцией. Вторичная продукция уже не делится (т.е. все гетеротрофы увеличивают свою массу за счет первичной продукции. На образование биомассы расходуется не вся энергия, а та часть, которая создает первичную продукцию и может расходоваться в различных экосистемах по-разному. Если скорость ее изъятия консументами отстает от скорости прироста растений, это ведет к приросту биомассы продуцента, и возникает избыток мертвого органического вещества. В стабильных сообществах вся продукция тратится в трофических цепях, и биомасса остается постоянной. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ Функциональные взаимосвязи, т.е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды. Известны три основных типа экологических пирамид: 1) Пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом трофическом уровне (пирамида Элтона) 2) Пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества, калорийность на каждом троерическом уровне и.т.д. 3) Пирамида продукта (или энергии), имеющая универсальный характер показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях. Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается. В основе этой закономерности лежит во-первых , тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел, во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до последующего доходят лишь 10% энергии) и в третьих, обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм , тем выше скорость роста их численности и биомассы). В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: «суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Для экосистемы океана это правило недействительно – она имеет перевернутый вид. Для экосистемы океана характерна тенденция накапливания биомассы на высоких уровнях, у хищников, это значит, что хищники живут долго и скорость оборота и регенерации мала, а у продуцентов (фитопланктонных водорослей) оборачиваемость может сотни раз превышать биомассы. Это значит, что их чистая продукция и здесь превышает продукцию, поглощенную консументами, т.е. через уровень продуцентов проходит больше энергии, чем через всех консументов». Отсюда понятно, что еще более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему должно быть правило пирамиды продукции (или энергии) на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы , создаваемой за единицу времени (или энергии), больше, чем, на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии на трофических цепях. В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначительно, т.е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы того или иного количественные ее показатели позволяют учесть возможности изъятия того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности. Человек получает достаточно много продукции природных систем, тем не менее ,основным источником пищи для него является сельское хозяйство. Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных птиц и.т.д., значительная часть продукции идет в промышленность и теряется в отбросах , т.е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% непосредственно используется на потребление человеком. Понятие о природопользовании и охране окружающей среды. 2. Принцип рационального природопользования. 3. Основы экономики природных ресурсов. ПОНЯТИЕ О ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ И ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Под природопользованием понимают: а) практическую деятельность человека б) науку Природопользование как практическая деятельность – это процесс эксплуатации природных ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Природопользование как наука – это область знаний разрабатывающая принципы рационального (разумного) природопользования. Природопользование – междисциплинарная наука. Она включает в себя элементы географии, истории, биологии, охраны природы и т.д.   fensgar.ru РЕКЛАМА |