Поняття «середовище», екологічні чинники його.
Середовище – це всі тіла, явища, з якими організм має прямі чи опосередковані взаємозв’язки, Живі організми, що населяють нашу планету, освоїли чотири основні середовища, кожне з яких має свій склад, свої екологічні чинники: водне середовище, водно-повітряне, грунт, самі організми.
Розрізняють чинники абіотичні, біотичні і антропогенні.
Абіотичні чинники середовища – це хімічні та фізичні чинники – чинники неживої природи (світло, температура, вологість, вітер, солоність вод і грунтів). Всі вони по різному впливають як один на одного, так і на біотичний компонент екосистеми.
Для кожного виду організмів стосовно кожного чинника середовища існує:
1. Зона оптимуму ( організм існує в найсприятливіших для розвитку умовах);
2. Зона песимуму ( стресова зона);
3. Діапазон стійкості, за межами якого організм гине.
На основі цього формулюється закон обмежувальних чинників (закон Лібіха): Навіть єдиний чинник за межами зони свого оптимуму викликає стресовий стан організму, а поза межами стійкості – загибель.
Характеристику, значення і особливості дії окремих екологічних чинників ви самостійно вивчите при опрацюванні відповідних питань теми при самостійній роботі.
Місце людини в біосфері.
Біологічні відмінності людини полягають не тільки в посиленому розвитку головного мозку, що, в першу чергу, відділило людину від інших видів тварин. Відмінності проявляються в необмеженій здатності до розмноження. За період існування людства щільність його зросла більш ніж в 4 тисячі разів. Цей ріст не мав планового характеру. Протягом тривалого періоду чисельність народонаселення зростала поступово, а у 20 столітті темпи приросту населення різко зросли. Якщо раніше для подвоєння числа жителів планети треба було біля 600 років, то останнє подвоєння від 3 до 6 мільярдів чоловік відбулося всього за 38 років. Цей ріст був настільки стрімким, що отримав назву «демографічний вибух».
Висока чисельність населення виявилася новим явищем і поряд з науково-технічною революцією вона стала головною причиною антропогенної зміни біосфери. Припускають, що відносини в системі «людина – природне середовище» будуть залежати від подальшої тенденції росту чисельності народонаселення. Оптимісти вважають, що помітний спад приросту населення, який зараз дав про себе знати в розвинутих країнах, пошириться на всю Земну Кулю і відбудеться стабілізація чисельності населення на рівні близько 10 мільярдів чоловік.
Діаметрально протилежна точка зору була висловлена ще у 1798 році Т.Мальтусом, який стверджував, що чисельність народонаселення росте і буде рости в геометричній прогресії, а ресурси, необхідні для задоволення потреб людства, ростимуть тільки в арифметичній прогресії, чим і визначається конфліктність в системі «людина – природне середовище».
У ході розвитку людства, появи технічних споруд, розвитку культурних та соціальних феноменів у межах біосфери з’явилася нова підсистема «людство - природне середовище». Взаємодія в цій підсистемі має двобічний характер, але з ростом технічної озброєності людини в ній почав переважати однонаправлений вплив людини на природні компоненти. Такий вплив отримав назву антропогенний, а зміни в природі під впливом людини – антропогенез.
Тема: Екологічні системи та біогеоценози
Мета: Пізнання студентами функціональних систем біосфери, їх ознак, усвідомлення всезагальних зв’язків і взаємодії живих і неживих компонентів, принципів функціонування екосистем і забезпечення їх стійкості.
Контрольні питання теми
1. Екосистеми і біогеоценоз, поняття. Компоненти біогеоценозу. Ознаки для характеристики екосистем.
2. Абіотичні фактори екосистем, їх розподіл за призначенням, типи дії їх.
3. Найбільш важливі фактори з погляду життєдіяльності організмів ( територія, температура, сонячна радіація, газовий склад повітря), їх значення для функціонування екосистем.
4. Грунт як біокосний елемент екосистеми: головні фактори утворення грунту, структура і екосистемні функції його.
5. Життя в грунті, механізми добування рослинами поживних речовин.
6. Живі організми в екосистемах, види структур біоценозу, правило формування видового складу біоценозу.
7. Основні форми зв’язків між організмами в біоценозі.
8. Принципи функціонування екосистем. Порушення цих принципів людиною.
9. Забезпечення стійкості екосистем (біотичний потенціал та опір середовища).
10. Сукцесія – окремий випадок еволюції екосистем. Первинна та вторинна сукцесії.
11. Основні природні екосистеми Землі (суходоли і екосистеми водойм). Розподіл екосистем за продуктивністю.
Лекція: Екологічні системи та біогеоценоз.
Екосистема – основна структурна одиниця біосфери. Поняття про екосистеми надзвичайно важливе для аналізу всього різноманіття екологічних явищ.
Основоположником вчення про екосистеми є англійський еколог А.Тенслі (1935). Екосистемою називають сукупність організмів, які спільно проживають, та умови їх існування, що знаходяться в закономірному зв’язку одне з одним. Екосистема – це поняття безрозмірне, без фіксованих меж. Екосистема – це і невеличкий ставок і світовий океан, великий ліс і окреме дерево. У сучасній екології поняття екосистема є розмитим.
Термін екосистема близький до терміну «біогеоценоз», введеного в обіг російським ученим В Сукачовим у 1940 році. Біогеоценоз – це природна ділянка земної поверхні з певним складом живих і неживих компонентів і динамічною взаємодією між ними.
Біогеоценоз містить два компоненти:
1. Екотоп – (грец. Топос – місце) – сукупність на певній території абіотичних
чинників (кліматичних і грунтових);
2. Біоценоз – сукупність живих організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів) – біотичний чинник.
Поняття біогеоценоз і екосистема майже ідентичні, можливо останнє ширше і тому більш вживане.
Для характеристики екосистем використовують досить великий набір ознак, основні із них:
1. Видовий склад живих організмів;
2. Співвідношення в екосистемі організмів із різними типами живлення;
3. Розмір створюваної в екосистемі первинної та вторинної біологічної продукції;
4. Інтенсивність потоку енергії через екосистему та швидкість кругообігу речовин;
5. Режим абіотичних умов та ресурсів.
Абіотичні компоненти екосистем.
Абіотичні фактори – це фактори неживої природи, вони визначають можливість існування всіх груп організмів у тому чи іншому середовищі, впливаючи на географічне поширення рослин, тварин, мікроорганізмів. В екосистемах абіотичні фактори виступають як ланка, що зв’язує різні групи організмів, забезпечуючи структурно-функціональну цілісність екосистем.
За своїм значенням абіотичні фактори поділяються в екосистемах на дві групи:
1. Ресурси, тобто такі фактори, що використовуються живими організмами та розподіляються між ними (вода, поживні речовини);
2. Умови існування, тобто неподільні абіотичні фактори, які не витрачаються в процесі життєдіяльності та в однаковій мірі впливають на всі живі організми в даній екосистемі (температура , рН грунту).
Всі абіотичні фактори підрозділяють на:
* кліматичні фактори (температура, режим освітленості, повітря та інші);
* адафічні фактори, що включають у себе ресурси та умови, пов’язані з грунтом (тип грунту, його фізико-хімічні особливості, склад грунтового розчину, тощо);
* фактори, що діють у товщі води та мають значення для водних екосистем.
Відповідно до В.Р.Вільямса (1939) для живих організмів однаково важливі чотири фактори: світло, тепло, вода та їжа.
К.А.Куркін (1972) класифікує фактори по типу їх дії:
- такі, що стабільно діють у даній екосистемі та протягом тривалого часу не змінюють свого значення;
- багаторазові коливання значень даного фактора протягом одного вегетативного сезону.
- флуктуаційні, які коливаються упродовж років;
- багаторічно-циклічні, з періодичністю дії, що складає цикли тривалістю в десятки та сотні років.
З погляду життєдіяльності організмів найбільш важливими є доступність території, температурний режим, сонячна радіація, забезпеченість вологою та газовий склад атмосфери.
Основні характеристики і значення для функціонування живих організмів основних абіотичних факторів ви повинні усвідомити при самостійному опрацюванні відповідних контрольних питань цієї теми.
Грунт як біокосний елемент екосистеми
Засновником учення про грунт як біокосне тіло вважається В.В.Докучаєв. Він визначав грунт як природно-історичне тіло, що утворюється під впливом клімату та живих організмів із геологічних порід. Найголовніше в його визначенні це наголос на те, що без живих організмів грунту бути не може.
Для утворення грунту необхідно 5 головних факторів:
1. Наявність материнської гірської породи, яка виступає як матеріальне джерело формування грунту;
2. Наявність живих організмів;
3. Рельєф місцевості, який впливає на характер трансформації гірської породи живими організмами і тип грунту, що формується;
4. Клімат;
5. Час, оскільки ґрунтоутворення є досить повільним процесом.
Центральним фактором ґрунтоутворення все ж таки є живі організми. Саме вони в сукупній дії з іншими факторами утворюють зовсім нове біокосне тіло – грунт.
Екосистемні функції грунту різноманітні:
- Забезпечує рослини поживними речовинами та водою;
- Тільки на грунті автотрофні зелені рослини повністю розкривають свій потенціал синтезу органічних речовин;
- грунт є місцем мінералізації відмерлих решток живої речовини.
Грунт може підсилювати дію окремих абіотичних факторів, видозмінювати цю дію, а то й гасити її (чорноземи України здатні знижувати вплив атмосферної посухи за рахунок великої водо утримуючої здатності гумусу). Велике значення має нейтралізуюча роль грунту.
Структура грунту складна, але в більшості типів виділяються гумусний горизонт, де зосереджена основна маса органічної речовини і горизонт, що утримує в основному мінералізовані речовини, перемішані з перетвореною гірською породою.
Життя в грунті.
Грунти досить специфічна частина екосистеми і вони мають специфічне тваринне населення.
Грунт – основне середовище, де розташовані корені рослин, середовище, куди надходить весь рослинний опад та трупи померлих тварин екосистеми, середовище, де зосереджена основна маса редуцентів будь-якої наземної екосистеми.
Крені рослин розміщуються в грунті на різних глибинах, але основна маса їх знаходиться в гумусному горизонті. Корені в грунті живуть. Діяльність їх полягає в постійному поглинанні з грунту води за рахунок різниці осмотичного потенціалу в клітинах кореня і у грунтовому розчині та постійному поглинанні хімічних речовин.
Добування рослинами поживних речовин з твердої фази грунту здійснюється за рахунок двох механізмів:
1. Корені реалізують видільну функцію ( з живих коренів у грунт безперервно надходять органічні кислоти, що забезпечує розчинення грунтових солей та роз’їдання мінералів).
2. Корені живуть у сполученні з грунтовими мікроорганізмами ( оселяючись навколо коренів, мікроорганізми утворюють особливу зону грунтового життя – ризосферу) – азот фіксуючі, силікатні. Сапрофітні мікроорганізми ризосфери активно руйнують органічну речовину грунту.
Тваринне та мікробне населення грунту представлене консументами різних рівнів та мікроорганізмами – редуцентами. Їхня діяльність являє собою сумісну роботу в процесах гуміфікації та мінералізації органічної речовини, що надходить до грунту. Тому грунтове населення – така ж закономірна цілісність як і наземна.
Живі організми в екосистемах.
Кожна екосистема відрізняється своєрідним потоком енергії та кругообігом речовин. Ці процеси опосередковані наявністю в екосистемах живих організмів. Сукупність всіх живих організмів екосистеми називають біоценозом. У сучасній екології біоценозом називають групу організмів різних видів, що співіснують на одній і тій же ділянці території та взаємодіють між собою за рахунок трофічних зв’язків, або просторових.
Серед структур біоценозу виділяють три види:
- видову, що розкриває видове різноманіття живих організмів;
- трофічну, що демонструє характер харчових взаємин між організмами біоценозу;
- просторову, що показує територіальне розміщення рослин, тварин та мікроорганізмів.
Видовий склад біоценозу може бути досить різноманітним. Але його формування підкоряється одному загальному правилу: у природному біоценозі обов’язково повинні бути продуценти, консументи та редуценти. Без такого поєднання організмів із різним типом живлення будь-який біоценоз не може існувати.
Біоценози характеризуються цілком визначеним видовим складом організмів. Залежно від систематичної належності організмів біоценози розділяються на:
* Фітоценози, що утворені рослинами;
* Зооценози, що являють собою сукупність усіх тварин екосистеми;
* Мікробоценози, що сформовані мікроорганізмами, які населяють земляну частину екосистеми.
Цілісність біоценозів зумовлена дією ряду механізмів, але головні серед них – два:
- перший полягає в тому, добір видів в біоценоз будь-якої екосистеми йде на основі спільності їх екологічних вимог щодо середовища;
- другий механізм полягає в наявності коадаптацій рослин та тварин щодо спільного життя.
Співмешкання видів в одному ценозі є результатом того, що один вид потрібен іншому так, що без нього він не може існувати (фітофаги не можуть існувати там, де нема відповідних рослин; рослини, запилювані комахами, не можуть існувати там, де нема цих комах). В результаті цього в кожному біоценозі набір видів рослин та тварин не випадковий, а закономірний.
Форми зв’язків між організмами в біоценозах різноманітні. З основними формами зв’язків ви ознайомитеся при самостійному вивченні відповідних питань цієї теми.
Принципи функціонування екосистем (за Б.Небелем)
Перший принцип. Одержання ресурсів і позбавлення від відходів відбувається в рамках коло обігу усіх хімічних елементів.
Другий принцип. Екосистеми існують за рахунок сонячної енергії, яка не забруднює середовище, практично вічна і кількість якої відносно стала й надлишкова.
Третій принцип. Чим більша маса популяції, тим нижчим має бути трофічний рівень, який вона займає.
Людина своїм життям і своєю діяльністю порушує всі три принципи функціонування екосистем, змінюючи коло обіг хімічних елементів, використовуючи як джерело енергії корисні копалини і забруднюючи довкілля відходами і збільшуючи чисельність людської популяції, справляючи тим самим тиск на природне середовище і порушуючи природну рівновагу між компонентами біосфери.
Цілісність і стійкість екосистем забезпечується:
- коло обігом хімічних елементів;
- використанням сонячної енергії;
- передачею енергії по ланцюгам живлення.
Стійкість екосистем забезпечується рівновагою популяцій, яких в екосистемі може бути сотні чи тисячі. У свою чергу, рівновага популяцій залежить від співвідношення біотичного потенціалу і опору середовища, які діють у протилежних напрямах.
Біотичний потенціал – це сукупність чинників, які сприяють збільшенню чисельності популяції:
- параметри довкілля в зоні оптимуму виду;
- здатність розширювати свій ареал;
- достатня кількість їжі;
- поповнення статевозрілого складу за рахунок потомства;
- велика швидкість розмноження.
Опір середовища – чинники, що протидіють збільшенню чисельності популяції:
- нестача їжі;
- несприятливі умови життя;
- розмноження хижаків;
- поширення хвороботворних бактерій;
- низька репродуктивна здатність;
- нездатність адаптуватися до змін зовнішнього середовища.
Оскільки кожна популяція прагне збільшити свою чисельність, вона використовує для цього обидва механізми: збільшує біотичний потенціал і зменшує опір середовища. Зменшення опору середовища зумовлює популяційні вибухи – різке зростання чисельності окремої популяції. З іншого боку, несприятливі умови середовища спричиняють масову загибель певної популяції.
Самостійна робота
При самостійній роботі по опрацюванні цієї теми необхідно вивчити слідуючи питання:
1. Найбільш важливі фактори з погляду життєдіяльності організмів (територія, температура, сонячна радіація, газовий склад повітря). Їх значення для функціонування екосистем.
2. Основні форми зв’язків між організмами в біоценозі.
3. Сукцесія – окремий випадок еволюції екосистеми. Первинна та вторинна сукцесії.
4. Основні природні екосистеми Землі (суходоли і екосистеми водойм). Розподіл екосистем за продуктивністю.
Тема: Біологічна продуктивність
Мета: Досягнути розуміння студентами головної функції живої речовини, значимості харчових зв’язків і форм взаємодії живих організмів для забезпечення стабільності і стійкості біосистем.
Контрольні питання теми
1. Автотрофне та гетеротрофне живлення, Біохімічні процеси автотрофного живлення.
2. Біологічна продуктивність, міра її, первинна та вторинна біологічна продукція, біомаса.
3. Трофічні ланцюги (продуценти, консументи, редуценти), значення їх в потоці енергії в Біосфері.
4. Трофічні рівні. Екологічні піраміди, види їх.
5. Екологічний контроль продуктивності, вплив абіотичних факторів на біологічну продуктивність
6. Ценотичний контроль продуктивності, форми взаємодії між живими організмами.
7. Стабільність та стійкість екосистем, основні категорії біологічного біологічного різноманіття, екологічний резерв екосистеми.
8. Стратегії виживання живих організмів: уникнення (ухилення) та адаптація, значення їх.
Лекція: Біологічна продуктивність.
Все живе створюється в результаті біопродуційного процесу та є наслідком життєдіяльності організмів: живлення та розмноження рослин, тварин та мікроорганізмів.
Питання автотрофного та гетеротрофного живлення вам повинні бути знайомі зі школи, тому в лекції на них я зупинятися не буду. Ці питання ви опрацюєте при самостійній роботі над цією темою.
Продуційний процес.Постійна присутність живої матерії в екосистемах забезпечується безперервним процесом оновлення живої речовини, її синтезом. Процес продукування живої речовини, що здійснюється в ході живлення, є центральною екосистемою функцією життя. ЇЇ прийнято називати біологічною продуктивністю. У біологічній продуктивності беруть участь усі живі організми і цим вони роблять свій внесок у підтримку існування біосфери.
Мірою біологічної продуктивності є величина продукції біомаси, яка створюється за одиницю часу, віднесеної до одиниці площі, або об’єму простору (кв.м та куб.м).
В екології розрізняють первинну та вторинну біологічну продукцію, Первинна продукція – це частина живої речовини, що створюється завдяки діяльності організмів з автотрофним типом живлення.
Вторинна продукція складається з органічних речовин, що утворюються при гетеротрофному типі живлення, вона завжди менша за об’ємом, ніж первинна.
У сукупності жива речовина автотрофних та гетеротрофних організмів складає біомасу. Можна говорити про біомасу окремого організму, того чи іншого виду, про біомасу окремих екосистем та біосфери в цілому. ЇЇ вимірюють в одиницях маси (сухого залишку) на одиницю поверхні (кг/кВ.м, т/кВ.км). У зв’язку з тим, що біомаса формується в результаті процесу живлення, спорідненого зі зв’язуванням енергії для оцінки розміру біомаси придатні й енергетичні одиниці ( джоулі, калорії).
Трофічні ланцюги та трофічні рівні. Одними з центральних зв’язків між живими організмами екосистеми є харчові, або трофічні. Харчові зв’язки об’єднують між собою організми за принципом «їжа – споживач». В екосистемах цими зв’язками охоплюються всі живі організми. Це призводить до виникнення трофічних ланцюгів. На початку кожного трофічного ланцюга знаходиться автотрофна жива рослина, що здійснює фотосинтез ( у меншій мірі первиний синтез органічної речовини ведуть хемосинтезуючі мікроорганізми). Ця група організмів називається продуцентами.
Продуценти– (автотрофи) – організми, переважно зелені рослини, які з вуглекислого газу і води продукують органічну речовину, використовуючи для процесу фотосинтезу сонячну енергію і виділяючи кисень. Вони накопичують рослинну біомасу. Рослини називають фототрофами.
Є організми, що також синтезують органічну речовину із вуглекислого газу і води, але використовують енергію, що виділяється при хімічних реакціях. Вони дістали назву хемотрофи.
Далі в трофічному ланцюзі йдуть консументи (гетеротрофи) – це організми, що використовують готові органічні сполуки, як джерело їжі та енергії, Відповідно до способу живлення консументи поділяють на:
- Первинних консументів, якими називаються усі рослиноїдні організми (фітофаги). Їхня їжа – це рослинна біомаса. У процесі живлення вони перетворюють її у нову форму, в органічні речовини свого тіла, збільшуючи тим самим біологічне різноманіття. (Корова, кріль, колорадський жук у цьому розумінні займають однакову екологічну позицію. Вони первинні консументи.)
- Вторинних консументів (м’ясоїдних або хижаків), які споживають тваринну їжу. Основними представниками цієї групи є хижаки та тварини, що живляться мертвими організмами. До консументів відносяться також і паразити, які живуть за рахунок хазяїна.
Редуценти – (детритофаги) – організми, що також споживають готові органічні сполуки, але мертвих решток ( опале листя, коріння, гілочки дерев – детрит, трупи та продукти життєдіяльності тварин.. Це гриби, бактерії, найпростіші, черви, раки. Органічні речовини ними сильно спрощуються та, в свою чергу, стають їжею для грунтових мікроорганізмів та грибів, які завершують деструкцію і мінералізацію органічних речовин. Завдяки їхній діяльності знов утворюються форми, доступні для живлення рослин. Це санітари, що очищають екосистему від сміття і замикають ланцюг коло обігу хімічних елементів.
Розглянуті групи організмів, кожна з яких виконує свою екосистемну функцію, відповідно складають так звані трофічні рівні.
Трофічний рівень – це сукупність організмів, які дістають перетворену на їжу енергію сонця і хімічних реакцій (від автотрофів) через однакову кількість посередників трофічного ланцюга.
Загальна біомаса кожної наступної ланки (трофічного рівня) в ланцюзі живлення зменшується, тому кількість ланок ланцюга живлення в екосистемі не перевищує 4 – 6 і обмежується правилом екологічної піраміди.
Які бувають трофічні рівні і які живі організми до них відносяться, а також поняття про екологічні піраміди і їх види ви вивчите при самостійному опрацюванні відповідних питань теми.