Лекция №2. Экологические факторы.

Лекция №1. Введение. Экология как наука.

План

1. Предмет, цели методы и задачи экологии.

2. История становления и развития экологии

3. Основные разделы и межпредметные связи.

Цели и задачи изучения дисциплины.Быстрое усиление антропогенной нагрузки на природную среду привело к глобальному экологическому кризису, выход из которого возможен только в случае, если человек научится правильно определять допустимые пределы антропогенных воздействий на природу и оценивать вызванные ими количественные и качественные изменения природной среды. На основе этих знаний человечество может выработать комплекс мер, которые позволили бы ему не превышать эти допустимые пределы. Изучение этих вопросов и определило основные цели данной дисциплины.

Краткая история становления и развития экологии.Термин экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище, «логос» - учение, наука) пред­ложил в 1866 году крупный немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919). Как самостоятельная научная дисциплина экология выделилась в цикле биологических дисциплин в начале XX в. и всю первую половину столе­тия она развивалась как биологическая наука. В этот период экология понимается как наука об отношениях организмов или их групп как между собой, так и со средой их обитания, т.е. как наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Под экологией Э. Геккель понимал область исследований, связанных с изучением всей совокупности взаимоотношений животного мира с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. Следовательно, в таком первоначальном понимании экология в первую очередь касалась царства животных, а растения и другие представители живой природы относились к среде обитания, или к окружающей их (животных) среде.

По мере накопления экологических знаний предмет экологии расширялся и, став самостоятельной биологической наукой, экология изучает организацию жизни на трех уровнях. На первом уровне исследуется взаимодействие отдельного организма с окружающей его средой (образ жизни, поведение, взаимодействие с отдельными элементами среды обитания и т.п.). Однако в реальных условиях ни один организм не существует в природе обособленно, т.е. вне связи с другими подобными себе особями того же вида. Известно, что организмы существуют в виде особых группировок (популяций и популяционных групп), обладающих качественно особыми реакциями на окружающую среду (например, изменениями численности группировки при смене условий питания и др.) в отличие от отдельных особей того же вида. Изучение этого вида экологических взаимоотношений относится ко второму уровню исследований в экологии. А третий уровень связан с рассмотрением еще более общих взаимоотношений, а именно: взаимоотношений организмов со всеми остальными компонентами окружающей среды, без изучения которых невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать его поведение в изменяющейся окружающей среде.

В процессе развития биологической экологии (биоэкологии) возникла необходимость классификации экологических знаний по отношению к крупным группам организмов и различным средам обитания. Поэтому стали выделять экологию животных, растений и микроорганизмов, а по средам обитания - экологию водоемов, суши и воздушной среды, экологию тропиков, умеренной и полярной зон. Перечисленные выше виды направлений экологической науки объединяют под единым названием общей экологии, предметом изучения которой являются живые (биотические) организмы, популяции, сообщества, взаимоотношения видов, абиотические компоненты окружающей среды.

Демографический «взрыв» и быстрый промышленный рост во многих странах после второй мировой войны привели к тому, что стали явно проявляться негативные последствия чрезмерного воздействия человека на окружающую его среду, обусловившие возникновение экологического кризиса, создающего реальную угрозу для существования человечества на планете. Наряду с экологическим кризисом, который постепенно приобретает планетарный (глобальный) характер, в последние десятилетия сформировались и другие глобальные проблемы, под которыми понимают природные, природно-антропогенные или чисто антропогенные явления, затрагивающие мир в целом. Процесс развития этих явлений называют глобализацией. К наиболее важным их них относятся проблема предотвращения ядерных конфликтов, демографическая, ресурсная, энергетическая и продовольственная проблемы, которые тесно взаимосвязаны и способствуют развитию экологического кризиса. Решение включает разработку процедур и механизмов, обеспечивающих сохранение и развитие человеческой цивилизации, что невозможно без использования междисциплинарных знаний о взаимодействии общества и природы, что и превратило современную экологию в комплексную междисциплинарную дисциплину.

Лекция №2. Экологические факторы.

План

1. Аутэкология как раздел экологии.

2. Экологические факторы и их классификация.

3. Адаптация организмов.

Аут(о)экология- раздел экологии, изучающий взаимоотношения отдельного организма со средой обитания.

Задачей аутэкологии (от греч. аутос - сам) является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений. Изучение реакций организмов на воздействие(я) факторов среды позволяет выявить не только эти пределы, но и физиологические, а также морфологи­ческие изменения, характерные для данных особей.

Таким образом, аутэкология изучает взаимоотношения особей с внешней средой. В основе этих отношений лежат морфофизиологические реакции организма на воздействия среды. С изучения этих реакций и начинается любое экологическое исследование. Однако часто неправильно считается, что аутэкология изучает экологию не особей, а видов. Следует отметить, что термин "аутэкология" был введен в 1896г. Шретером именно для обозначения экологии особей.

Основное внимание при изучении экологии особей уделяется биохими­ческим реакциям, интенсивности газообмена, водного обмена и другим физиологическим процессам, определяющим состояние организма. При проведении этих исследований широко используются сравнительно-экологический и эколого-географический методы, сопоставляются состояние и реакция организма на внешние воздействия в различные периоды жизни (суточная, сезонная активность). Большое место в аутэкологических исследованиях занимает изучение влияния на организм естественной и искусственной радиоактивности, загрязненности среды, обусловленной индустриальной деятельностью человека.

Экологические факторы -существенные свойства окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на сообщества живых организмов в экосистеме и на состояние экосистемы в целом. Экологические факторы подразделяются на три группы: биотические (факторы живой природы), абиотические (факторы неживой природы) и антропогенные, связанные деятельностью человеческого общества. Последние включают социально-экономические, культурные и другие факторы. По характеру воздействий рассматривают периодические и непериодические экологические факторы, с действием которых связаны приспособительные возможности организмов и природных экосистем к изменениям внешних воздействий. К периодическим экологическим факторам относят природные явления, обусловленные вращением Земли: смена времен года, суточная смена освещенности, суточные, сезонные и вековые изменения температуры и осадков, динамика растительной пищи (для животных) и др. К непериодическим факторам относятся экологические факторы, не имеющие выраженной цикличности, например, химический состав и механические характеристики почвы, атмосферного воздуха или воды.

Абиотические факторы.Эту группу составляют, как указывалось выше, компоненты и явления неживой, неорганической природы, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Главную роль среди них играют климатические (солнечная радиация, световой режим, температура, влажность, осадки, ветер, давление и др.); затем идут почвенные или эдафические (от греч. эдафос - почва), важные для обитающих в почве организмов; и, наконец, факторы водной среды.

Солнечная радиация, как известно является основой фотосинтеза. Кроме того, она определяет термический режим биосферы Земли, изменение которого в направлении от экватора к полюсам вызывает как климатическую зональность, так и существование на нашей планете крупных зональных типов растительности (тундра, тайга, степи, пустыни, влажные тропические леса и др.). Кроме солнечной радиации, на состояние экосистем разных климатических зон непосредственное влияние оказывают и другие абиотические факторы среды (температура, влажность, осадки, тип почв и т.п.), влияние которых в комплексе приводит к смене природных ландшафтов, создающих существенные различия в условиях обитания организмов.

Рассмотрим кратко почвенные экологические факторы. Известно, что почва - трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород, т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Самый верхний горизонт почв, являющийся накопителем органического вещества и называемый гумусовым, определяет плодородие почвы и представляет собой смесь органических и минеральных веществ. В результате сложных биохимических процессов в этом слое органические остатки в почве разрушаются (минерализуются) с образованием более простых соединений (вода, углекислый газ, аммиак и др.) или превращаются в более сложные органические соединения - перегной, или гумус. Таким образом, химические свойства почвы определяются содержанием органических и неорганических соединений. Свыше половины минерального состава почвы занимает кремнезем (двуокись кремния), остальную часть составляют окислы алюминия, железа, магния, калия, фосфора, кальция и др. Физические свойства почвы обусловлены механическим составом (содержанием частиц разной величины: песок, глина, суглинок), от которого зависят способности почвы удерживать влагу и насыщаться воздухом, что определяет условия обитания организмов в почве и условия произрастания растений.

Важным показателем состояния почвы является ее кислотность величина концентрации ионов водорода (рН) в почве. Различные виды приспособились к определенным величинам показателя рН: одни предпочитают кислую среду, другие - щелочную, а третьи - нейтральную Многие животные и растения очень чувствительны к малейшим изменениям рН.

Абиотические факторы водной среды, называемые гидрографическими, определяются физическими и химическими свойствами воды как среды обитания живых организмов (гидробионтов). На характер пространственного распределения гидробионтов оказывают влияние соленость, плотность, световой режим, температура и др. Например, соленость играет важную роль в существовании разных видов организмов: пресноводные виды не могут жить в морской воде, а морские - в пресной. Не менее важна роль светового режима. Так, водоросли в океане обитают в освещаемой зоне, чаще всего на глубинах до 20 - 50 м, привлекая как источник питания различные виды морских животных.

Биотические факторы.Совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на состояние неживых компонентов среды обитания составляет комплекс биотических факторов. Разнообразные взаимодействия между животными, растениями и микроорганизмами в экосистеме подразделяются на прямые, связанные с непосредственным воздействием одних организмов на другие, и на косвенные, когда например, растения своим присутствием изменяют режим действия абиотических факторов среды для других растений, животных и микроорганизмов. Так, орех и дуб своими выделениями угнетают травянистую растительность под кронами. В общем, любое растительное сообщество существенно влияет на совокупность абиотических характеристик среды. Известно, что различные абиотические факторы в пределах лесного ландшафта существенно отличаются при схожести климатических условий от этих же факторов в условиях степных ландшафтов.

Важнейшим биотическим фактором является пища. Пищевой фактор может рассматриваться с разных точек зрения: количество, доступность, химический состав, пищевая ценность и др. Любой вид животного или растения обладает достаточно четкой избирательностью к составу пищи. Так, каждому растению необходим определенный набор минеральных веществ. Пищевые взаимоотношения среди животных отличаются значительной сложностью. По способу доступа к пище наиболее распространены два типа взаимоотношений: хищничество и паразитизм. Хищничество проявляется в преследовании и поедании одних видов организмов другими, например, растительноядных копытных - плотоядными хищниками, насекомых - птицами, мелких рыб - более крупными. Паразитизм также проявляется в различных формах. В самом общем случае организм-паразит живет постоянно на теле или внутри тела другого организма - хозяина. С экологических позиций хищник и жертва, паразит и хозяин взаимно необходимы друг другу и их сосуществование составляет основу существования экосистемы.

Антропогенные экологические факторы.Важную группу экологических факторов составляют антропогенные факторы, отражающие воздействие человека как на живые организмы, так и на абиотические факторы среды обитания. Антропогенные факторы- это совокупность экологических факторов, обусловленных случайной или преднамеренной деятельностью человека и вызывающих существенное воздействие на структуру и функционирование экосистем и на деградацию биосферы. К антропогенным факторам относятся, например, радиационное загрязнение или загрязнение химическими веществами воды, почвы или атмосферы в результате деятельности общества. Загрязнение среды вызывает во многих случаях существенные изменения в состоянии природных экосистем.

Все экологические факторы можно подразделить на относительно постоянные на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов (солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы) и постоянно изменчивые (температура, влажность воздуха, ветер, осадки, естественные убежища, количество пищи, соотношение «хищник-жертва» и т.д.). Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, называют адаптацией. Способность к адаптации - одно из основных свойств жизни вообще, поскольку обеспечивает саму возможность её существования.

Каждый фактор имеет лишь определённые пределы положительного влияния на организм. Недостаточное или избыточное проявление фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности организма. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или оптимумом для организмов вида. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Такие сильно уклоняющиеся от оптимума факторы приобретают первостепенное значение в жизни вида или отдельных его представителей на каждый конкретный отрезок времени, обычно их называют лимитирующими (абиотические – например, определяющие географический ареал вида – север или аридная зона; биотические – занятость территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений; анторопогенные – избыток удобрений в почве или загрязнение пестицидами).

Ю.Либих в 1840 г. установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, но которых мало и в почве. Сформулированный им закон минимума гласил: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». Впоследствии к питательным веществам добавили ряд других факторов, например, температуру. Действие данного закона ограничивают два принципа: закон применим только в условиях стационарного состояния; имеет значение взаимодействие факторов, иногда организм заменяет одно, дефицитное, вещество другим, имеющимся в избытке.

Закон В.Шелдфордаобобщает закон минимума: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода). По каждому экологическому фактору существует диапазон толератности, за пределами которого организм не может длительно существовать или размножаться. Толерантность – (от греч. слова «толеранция», означающее терпение) – это способность организмов выдерживать изменение условий жизни (например, колебания температуры, влажности, света). Если фактор или группа факторов значительно выходят за пределы диапазона толерантности, организмы погибают. У каждого живого организма в отношении различных экологических факторов существуют пределы выносливости (пределы толерантности), между которыми располагается его оптимум. Выявление ограничивающих факторов очень важно в практике с/х-ва, т.к., направив основные усилия на их устранение можно быстро и эффективно повысить урожайность растений и производительность животных.

Гипотезы происхождения жизни на Земле. Предполагается, что Вселенная и её планеты, включая Землю, произошли в результате «Большого взрыва» первичной космической материи. Этот взрыв по подсчётам математиков, произошёл около 20 млрд. лет назад. По современным исследованиям, жизнь также могла произойти путём «Большого биологического взрыва», длительность которого в отличие от космического, укладывается в миллионы лет. В настоящее время наиболее признанной гипотезой о происхождении жизни на Земле является гипотеза А.И.Опарина.

В качестве гипотезы происхождения жизни на Земле рассматривается также теория В.И.Вернадского, суть которого сводится к приспособлению к жизни на Земле микроорганизмов из упавшего на планету метеорита.

Еще одна важная гипотеза – креационистская теория о Божественном начале всего живого.

Лекция №4. Экосистемы.

План

1. Структура Биогеоценоза.

2. Экосистема, понятие, виды.

3. Трофические цепи сети, уровни. Экологические пирамиды.

4. Биосфера, как глобальная экосистема Земли. Круговорот веществ.

Структура биогеоценоза. Биогеоценоз(от греч. био - жизнь, гео - земля, ценоз - сообщество) - наименьшая структурная единица биосферы, представляющая собой внутренне однородную пространственно ограниченную (обособленную) природную систему взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды. Этот термин был введен в 1942 г. известным русским ученым - биологом В.Н.Сукачевым (1880 - 1967). Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы: биоценоза и биотопа. Схематично это можно представить в следующем виде:

БИОГЕОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП.

Термин биоценозбыл введен немецким биологом К.Мебиусом (1877) и означает совокупность живых организмов (животных, расте­ний, микроорганизмов), существующих на относительно однородном по условиям жизни участке среды обитания. Биоценоз представляет слож­ную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга:

1)фитоценоза - сообщества растительных организмов;

2)зооценоза - биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде;

3) микробиоценоза (или микробоценоза) - сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др.), живущих в почве, в воздушной и водной средах.

Биотопом(или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфологическим, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом. Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы:

1) атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы
(кислород и углекислый газ) и характеризуемой такими свойствами, как
температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.;

2) почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами.

Общая характеристика биогеоценоза.Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций автотрофных и гетеротрофных организмов. Следовательно, биогеоценоз - это совокупность разных видов живых организмов (биоценоз), сосуществующих в пределах пространственно ограниченного и однородного по своим абиотическим свойствам участка территории (биотопа) и взаимодействующих как друг с другом, так и с биотопом. Можно говорить о биогеоценозе березовой рощи, луга и т.п., но нельзя называть биогеоценозом сообщество бактерий в капле росы на травинке.

Каждый природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающую способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой. Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза. Основу биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителями органического вещества. Так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество, то нетрудно догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе: ясно, что если растения - главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически прекратится.

Круговорот веществ в биогеоценозе.Круговорот веществ одно из необходимых условий существования жизни. Он возник в процессе становления жизни на Земле и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Без круговорота веществ в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, так как они перестали бы возобновляться в процессе жизнедеятельности организмов.

Чтобы был возможен круговорот веществ в биогеоценозе, необходимо наличие в нем двух типов организмов: 1) создающих органические вещества из неорганических, 2) использующих для обеспечения своей жизнедеятельности эти органические вещества и снова превращающих их в неорганические соединения. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться растениями в процессе фотосинтеза. Следовательно, кардинальную роль в круговороте веществ в биогеоценозе играют растения, использующие и запасающие преобразованную солнечную энергию.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой при­роды в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Источником энергии, необходимой для создания круговорота веществ в биогеоценозе, является Солнце. Движение вещества, вызванное деятельностью орга­низмов, происходит циклически, оно может быть использовано много­кратно, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонап­равленный характер. Поэтому неправомерно отождествлять круговорот вещества в биогеоценозе с круговоротом энергии.

Определение и понятие экосистемы.Понятие экосистемы является одним из основных понятий в современной экологии. Термин «экосистема» был введен в употребление А.Тенсли в 1935 г., спустя более полувека после выделения экологии как самостоятельной отрасли научных знаний (1866). Экологической системой или экосистемойназывается совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, обусловленной обменом веществ и распределением потока энергии. Следовательно, в биологическом смысле под экосистемой понимается любая система, включающая в свой состав сообщества живых существ и среду их обитания, объединенные в единое функциональное целое.

Каждая экосистема характеризуется совокупностью свойств и структурой. С точки зрения изучения проблем устойчивого функционирования экосистем интерес представляют такие основные свойства, как способность к образованию живого вещества из компонентов неживой природы, способность осуществлять круговорот веществ в экосистеме, видовое разнообразие, способность поддерживать ее нормальное функционирование в условиях изменяющейся среды обитания и др. Важнейшей с точки зрения организации экосистем является их видовая структура.

Виды экосистем.Экосистема - сложный объект, при изучении которого используют методы системного анализа. Классификация таких сложных систем должна проводиться по различным основаниям, или признакам деления на классы. По пространственному масштабу выделяются экосистемы различного ранга: микроэкосистемы, мезоэкосистемы, макроэкосистемы и глобальная экосистема. Наименьший ранг имеют микроэкосистемы, примерами которых могут служить маленький водоем, труп животного с населяющими его организмами или ствол упавшего дерева в стадии биологического разложения, домашний аквариум и даже лужица или капля воды, пока в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ. Экосистемы промежуточного ранга называются мезоэкосистемами (лес, пруд, река и т.п.). Макроэкосистемы имеют большой пространственный масштаб и связаны с крупными географическими объектами, составляющими по размерам значительную часть земной поверхности (например, океан, континент и т.п.). Самый большой ранг имеет глобальная экосистема, эквивалентная биосфере Земли в целом. Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

По характеру среды обитания сообществ живых организмов природные (естественные) экосистемы разделяют на наземные и водные, среди последних иногда выделяют пресноводные и морские экосистемы. Основные экологические свойства экосистем существенно зависят от различия условий среды обитания (географических, гидрографических, климатических, почвенных и др.). Поэтому указанные виды природных экосистем разделяются в свою очередь на различные типы экосистем. В классе наземных экосистем выделяют тундровые, таежные, степные и др., а пресноводные экосистемы делят на озерные, речные, болотные и т.п.

Для удобства рассмотрения некоторых особенностей взаимодействия общества и природы в рамках изучаемой дисциплины по степени антропогенного воздействия на природную среду будем различать три следующих вида экосистем: природные, социоприродные и антропогенные. Природные экосистемы, рассмотренные выше, это естественные экосистемы, при изучении которых не учитываются какие бы то ни было антропогенные воздействия. К антропогенным будем относить искусственные экосистемы, непосредственно и целенаправленно созданные человеком для удовлетворения своих потребностей. Их удобно разделять на техногенные и агроэкосистемы.

Из вышеизложенного ясно, что биогеоценоз представляет собой комплекс взаимосвязанных видов организмов (популяций разных ви­дов), обитающих на определенной территории с более или менее од­нородными условиями существованиями. Как и биогеоценоз, экосисте­ма в биологическом смысле является совокупностью взаимосвязанных живых существ и среды их обитания, образующих единое целое. Одна­ко основу биогеоценоза составляют зеленые растения, производящие живое органическое вещество. Так как в биогеоценозе присутствуют растительноядные и плотоядные животные и другие организмы, потреб­ляющие органическое вещество, легко догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе. Поэтому ясно, что если рас­тения - главный источник органического вещества в биогеоценозе - исчезнут, то и жизнь там практически прекратится. Примеры биогеоце­нозов - однородные участки леса, луга, степи, болота и т.п.

Экосистема, по определению, может и не включать растительные организмы в свой видовой состав. Таким примером являются природ­ные экосистемы, формирующиеся на базе разлагающихся органичес­ких остатков, гниющих в лесу деревьев, трупов животных и т.п. Доста­точно присутствия лишь зооценоза и микробоценоза или только микробоценоза, чтобы такое образование рассматривать как экосистему. В этом и заключается одно из существенных отличий понятия экосистемы от понятия биогеоценоза. Таким образом, каждый биогеоценоз может быть назван экосистемой, но не каждая экосистема является биогео­ценозом.

Биогеоценозы и экосистемы могут различаться и по временному фактору (продолжительности существования). Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, поскольку все время пополняется энергией за счет деятельности растительных организмов. В то же время экосистемы, в составе которых отсутствует растительное звено, заканчивают свое существование одновременно с высвобождением в процессе разложения органического субстрата всей содержащейся в нем энергии.

Трофические цепи и сети. Одним из наиболее существенных свойств экосистем является наличие в них пищевых цепей и сетей. Трофическая (пищевая) цепь- последовательность видов организмов, отражающая движение в экосистеме органических веществ и заключенной в них биохимической энергии в процессе питания организмов. Термин происходит от греч. трофе - питание, пища. Для дальнейшего изучения рассмотрим следующие термины: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты (от англ. рrodисе - производить) - организмы, производящие органические вещества из неорганических соединений. Продуцентами в экосистеме являются автотрофные организмы, преобразующие путем фотосинтеза внешнюю (солнечную) энергию в биохимическую энергию, заключенную в органическом веществе. Примерами продуцентов в наземных экосистемах являются растения, фитопланктон - мельчайшие водоросли - является другим примером продуцентов, характерных для морских и вообще водных экосистем.

Консументы (от лат. консуме - потреблять) - это организмы, питающиеся органическим веществом, произведенным другими организмами (продуцентами). Такими организмами в экосистеме являются гетеротрофы. Различают консументы 1-го и 2-го порядков. Консументы 1-го порядка - растительноядные организмы (например, овца, заяц). Консументы 2-го порядка - плотоядные, которые строят свои белки из белков растительного и животного происхождения (хищники).

Редуценты - организмы (главным образом, бактерии, грибы и др.), превращающие органические остатки в неорганические вещества (минерализация). Синоним термина - деструкторы (от англ. - разлагать).

Трофические (пищевые) уровни.В любой экосистеме можно выделить несколько трофических уровней или звеньев. Первый уровень представлен продуцентами, а второй и последующий уровни - консументами. Последний уровень в основном образуется микроорганизмами и грибами, питающимися мертвым органическим веществом (редуцентами). Их основная функция в экосистеме - разложение органического вещества до исходных минеральных элементов. Взаимосвязанный ряд трофических уровней и представляет цепь питания или трофическую цепь.

Важно подчеркнуть, что цепь питания не всегда может быть полной. Во-первых, в ней могут отсутствовать продуценты (растения). Такие цепи питания характерны для сообществ, формирующихся на базе разложения животных или растительных остатков, например, накапливающихся в лесах на почве (лесная подстилка). Во-вторых, в цепях питания могут отсутствовать (либо находится в очень малом количестве) гетеротрофы (животные). Например, в лесах отмирающие растения или их части (ветви, листья и др.), т.е. продуценты, сразу включаются в звено редуцентов.

Виды трофических цепей.Трофические цепи в зависимости от числа уровней подразделяются на простые и сложные (многоуровневые) цепи. Примером простой цепи, в которой представлены все три вида уровней (продуцент, консумент и редуцент), может служить следующая последовательность организмов: ОСИНА-ЗАЯЦ-ЛИСА.

Простая трофическая цепь имеет три трофических уровня. Сложные цепи в отличие от рассмотренных выше простых имеют большее число уровней, но обычно не превышающее 5-6 в реальных природных экосистемах. Ниже приводится пример сложной пятиуровневой цепи:

ТРАВА - ГУСЕНИЦА - ЛЯГУШКА - ЗМЕЯ - ХИЩНАЯ ПТИЦА.

Различают три основных типа трофических цепей:

- цепи хищников;

- цепи паразитов;

- сапрофитные цепи.

Примеры трофических цепей хищников:

ТРАВА-ОВЦА-ВОЛК; ЛИСТ ДУБА - ГУСЕНИЦА - СИНИЦА - ЯСТРЕБ.

Отличительной особенностью трофических цепей паразитов от цепей хищников является то, что в цепях хищников размеры особей увеличиваются по мере продвижения по уровням цепи (слева направо), а в цепях паразитов - наоборот. Сапрофитные (от греч. сапрос - гнилой) цепи - это трофические цепи с разложением органического вещества, т.е. включающие редуцентов. К сапрофитам относятся организмы (грибы, некоторые растения и др.), питающиеся органическим веществом и преобразующие его в минеральные соединения. Ниже приведен пример такой трофической цепи:

ЛИСТВЕННЫЕ ДЕРЕВЬЯ - ЧЕРВИ - ГРИБЫ.

Сукцессия. Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Сообщества непрерывно изменяются. Одни организмы умирают, другие приходят к ним на смену. Энергия и питательные вещества проходят через сообщество нескончаемым потоком. Последовательность смены сообществ (экосистем, биоценозов) на одной и той же территории называется сукцессией.

При определении экологической сукцессии следует учитывать три момента. Во-первых, сукцессия происходит под влиянием сообщества, т.е. биотического компонента экосистемы. Во-вторых, сукцессия определённым образом направлена и её можно предсказать (предвидеть). В-третьих, кульминацией сукцессии является возникновение стабилизированной экосистемы, в которой на единицу потока энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество межвидовых взаимодействий.

Сукцессию подразделяют на первичную (когда организмы осваивают пустые участки, которые никогда прежде не были заселены) и вторичную (процесс протекает в местах, которые уже были заселены, но лишились своих обитателей в результате, например, оледенения или деятельности человека).

Биоценозы, сменяющиеся друг другом во времени образуют серии. Конечным этапом эволюции является находящийся в равновесии со средой стабильный биоценоз. Такая стабильная система может сохраняться в неизменном виде в течение времени, равного «нескольким человеческим жизням».

Основные сукцессионные изменения: непрерывная смена видов растений и животных; повышение видового разнообразия организмов; увеличение биомассы органического вещества; снижение чистой продукции сообщества и повышение его дыхания. Все четыре основных сукцессионных изменений имеют большое практическое значение для человека. Зрелое сообщество способно противостоять изменениям физических факторов, даже некоторым видам химических загрязнений в гораздо большей степени, чем молодое сообщество. Однако молодое сообщество способно продуцировать новую биомассу в гораздо больших количествах, чем старое.

Экологические пирамиды. Для наглядного представления о величине коэффициента передачи энергии с уровня на уровень в цепях питания экосистем используют экологические пирамиды нескольких видов. Экологическая пирамида - это графическое (или диаграммное) представление соотношения между объемами органического вещества или энергии на соседних уровнях в трофической цели. Наибольшее распространение получили следующие виды экологических пирамид:

- пирамиды чисел Элтона;

- пирамиды биомасс;

- пирамиды энергии.

Пирамиды чисел Элтона представляются в виде среднего числа особей, требуемых для питания организмов, находящихся на последующих трофических уровнях, Например, для представления трофической цепи:

ЛИСТ ДУБА - ГУСЕНИЦА – СИНИЦА пирамида чисел для одной синицы (третий уровень) изображает число гусениц (второй уровень), которых она поедает за определенное время, например, за один световой день. На первом уровне пирамиды изображается столько листьев дуба, сколько требуется для корма того количества гусениц, которые показаны на втором уровне пирамиды.

Пирамиды биомасс и энергии выражают соотношения количества биомассы или энергий на каждом трофическом уровне. Пирамида биомасс основана на отображении результатов взвешивания сухой массы органического вещества на каждом уровне, а пирамида энергии - на расчетах биохимической энергии, передаваемой с нижележащего на вышележащий уровень. Эти уровни на графике пирамиды биомасс (или энергии) изображают в виде прямоугольников равной высоты, ширина которых пропорциональна величине биомасс, передаваемой на каждый последующий (вышележащий) уровень исследуемой трофической цепи. Каждый может попробовать построить пирамиду биомасс по данным, заимствованным из известной книги Ф.Рамада «Прикладная экология» и относящейся к некоторой 4-уровневой трофической цепи:

ТРАВА (809) - ТРАВОЯДНЫЕ (37) - ПЛОТОЯДНЫЕ-1(11)-ПЛОТОЯДНЫЕ-2 (1,5),

где в круглых скобках указаны величины сухой биомассы (г/кв.м).

Заметим, что экологические пирамиды являются наглядной иллюстрацией принципа Линдемана и с их помощью отражается существенная особенность энергетических процессов в экосистемах, а именно: из-за сравнительно малой доли энергии (в среднем приблизительно десятая часть), передаваемой на последующий уровень, очень мало энергии остается в экосистеме, а остальная возвращается в геосферу. Так, при 4-уровневой трофической цепи только десятитысячная доля биохимической энергии остается в экосистеме. Ничтожно малая доля энергии, остающейся в экосистеме, объясняет почему в реальных природных экосистемах трофические цепи имеют не более 5-6 уровней.

Модели экологических систем и процессов. Сущность метода биологического моделированиязаключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. изучаемой реальной системой или процессом, изучается их искусственно созданное подобие - модель.

Процесс перевода физических или биологических представлений о любой экологической системе в ряд математических зависимостей и операции над ними называются системным анализом, а сама математическая система - моделью.

В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны, иначе результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.

В зависимости от особенностей оригинала и задач исследования применяются самые разнообразные модели.

Модели материальные (реальные)- предметные (например, аквариум, который может служить моделью естественного водоема). Однако создание реальных моделей сопряжено с большими техническими трудностями, не всегда выполнимыми.

Модели идеальные (знаковые)- мысленные, например, график, формула и т.д.

Наибольшее распространение в экологии получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности (научный текст, схема системы, таблицы и т.д.).

Математические модели - особенно эффективен метод изучения экологи­ческих систем, в частности, при определении количественных показателей. Математические модели являются неполным абстрактным отображением реального мира. При отсутствии реальных моделей математический подход является сильно отвлеченным, но при исключении математического подхода бывает трудно уловить общий смысл реальной модели. В связи с этим, в современной экологии реальные (материальные) модели и знаковые (идеальные) используются параллельно, дополняя и обогащая друг друга.

Вернадский и биосфера.Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 - 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в XVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский ученый - геолог В.И.Вернадский(1863 - 1945), создавший в 20-х годах XX века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.

Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И.Вернадский выявляет огромную роль живого веще­ства в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука - биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в био­сфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время, учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение по­следствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гид­росферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и по­литиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получи­ло широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.

В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологи­ческой силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится воп­рос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего чело­вечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к кото­рому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Понятие ноосферы (от греч. ноос - разум) также имеет свою исто­рию. Считается, что оно было введено в XIX в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 - 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религи­ей и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое гео­логическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыс­лить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в био­сфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его дея­тельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подоб­ные нарушения в будущем.

В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.

Общая характеристика биосферы. Биосфера(по В.И. Вернадскому) - оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках - геосферах Земли(литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

Еще со времени Ламарка было известно, что процессы происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И.Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.

Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным.оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2-3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз - массы земной коры и в миллиард раз - массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И.Вернадский.

Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.

12
• 3
• 4
• Далее ⇒