Любая живая система есть частный вид наиболее сложных систем, построенных на основе белковых соединений. Поэтому системный подход в экологии очень популярен.

В экологии существуют два подхода к пониманию сути явлений:

— популяционный подход — концентрирует внимание на популяциях живых существ, то есть на группах особей одного вида, большое число поколений которого населяет определенное пространство в ограниченных пределах (считается, что именно популяция является основной элементарной единицей, изучаемой традиционной экологией);

— экосистемный подход — базируется на понятии экосистемы — совокупности организмов и неживых компонентов, взаимодействующих совместно и связанных потоками вещества и энергии.

Понятие экосистема введено английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.

Географ и писатель Г.К. Ефремов дал образное определение экосистемы как “любого природного образования – от кочки до оболочки (географической)”.


Экосистемный подход тяготеет к целостному описанию природы, популяционный — к множественному.

Все экосистемы можно разделить по рангам:

1) микроэкосистемы (лужа, гниющий пень, разлагающийся труп и т.п.);

2) мезоэкосистемы (лес, озеро, река, небольшой остров и т.п.);

3) макроэкосистемы (море, океан, континент, большой остров и т.п.);

4) глобальная экосистема (биосфера).

Кроме приведенной классификации экосистем в экологии традиционно рассматривается еще понятие биогеоценоза, которое близко по смыслу к понятию экосистемы. Биогеоценоз — это частный случай крупной экосистемы, охватывающей как правило значительную территорию, предполагающий обязательное наличие в качестве основного звена растительности, то есть фитоценоза, обеспечивающего данную экосистему поступлением первичной энергии (информации). Ввиду подобной энергетической автономности биогеоценоз теоретически бессмертен, в отличие, например, от гниющего поваленного дерева, экосистема которого гибнет после того, как будет израсходована вся энергия, накопленная деревом за время жизни, а само дерево превратится в компоненты гумуса (плодородного слоя почвы).

В составе любой экосистемы обычно выделяют два блока: биоценоз и экотоп. Биоценоз состоит из взаимосвязанных организмов разных видов, которые входят в него не отдельными особями, а популяциями. Частный случай биоценоза — сообщество, оно может объединять только часть видов биоценоза (например, растительное сообщество). Под экотопом понимают среду обитания данного биоценоза. Это может быть территория данного биогеоценоза, характеризующаяся определенным составом слагающих ее геологических пород. Поваленное дерево, дающее жизнь разного рода деструкторам (насекомым, грибам, микробам и прочим организмам, разрушающим органику вплоть до минерального состояния) также является экотопом существующей на его базе экосистемы.


Таким образом, биогеоценоз = экотоп (гидрологические факторы (гидротоп), климатологические факторы ((климатоп), почвенные факторы (эдафотоп) ) + биоценоз (растения (фитоценоз), животные (зооценоз), микроорганизмы (микробиоценоз)) (данная модель предложена В.Н. Сукачевым в 1942 г.).

1.4.1. Особенности экосистем

1. Тесная взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев как биотических (живых), так и абиотических (неживых). Корректировки связей приводят к возвращению в исходное состояние или к гибели.

2. Сильные положительные и отрицательные обратные связи.

Пример положительной обратной связи — заболачивание территории после вырубки леса. Это ведет к уплотнению почвы, следовательно, к накоплению воды и росту растений-влагонакопителей, что приводит к обеднению ее кислородом, а значит, к замедлению разложения растительных остатков, накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания.

Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи — взаимоотношение между хищником и жертвой, например между рысями и зайцами: рост количества зайцев способствует росту численности рысей, но чрезмерное количество рысей сокращает поголовье зайцев, после чего численность рыси также сокращается. В естественных условиях данная система достаточно быстро стабилизируется.


3. Явно выраженная эмерджентность.

Например, редкий древостой еще не составляет леса, так как не создает определенной среды: почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д.

Эмерджентность повышает устойчивость экосистемы и ее способность к саморегулированию. Деятельность человека приводит к нарушению прямых и обратных связей в экосистемах.

Например, умеренное загрязнение водоемов органикой приводит к интенсификации размножения микроорганизмов, что приводит к самоочищению водоема. Неумеренное загрязнение, называемое эвтрофикацией, ведет к чрезмерному размножению организмов, активно разлагающих органическое вещество, что рано или поздно приводит к обеднению данного водоема кислородом, а значит, к угнетению и гибели этих организмов, разрушению связей, изменению системы и переходу ее на новый вид связей, обычно это заболачивание.

Обычно экосистемы для повышения устойчивости нуждаются в случайных стрессовых воздействиях типа бурь, пожаров и т.п. Но хронические стрессы малой интенсивности, характерные для антропогенного воздействия на природу, не дают явных реакций, поэтому их последствия оценить очень трудно, но они могут оказаться гибельными для экосистемы.

iv>

ª Вопросы для самопроверки

1. В чем отличие популяционного от экосистемного подхода в экологии?

2. Как подразделяются экосистемы ? Приведите пример экосистемы каждого типа.

3. Дайте определение биогеоценоза.

4. Чем биогеоценоз отличается от экосистемы ?

5. Что такое биоценоз, экотоп ? Перечислите составляющие их элементы .

6. Приведите пример искусственной экосистемы

1.4.2. Уровни биологической организации

Обычно выделяют 6 главных уровней организации живой материи, образующих формальную иерархию: молекулярный ® клеточный ® организменный ® популяционный ® экосистемный ® биосферный, четких границ между этими уровнями нет, как нет четких границ между экосистемами разного ранга (эффект “матрешки” – одна экосистема является частью другой, большего размера), выделение различных экосистем достаточно произвольно.

 
  Чем экосистема отличается от биосферы

Рис. 1.11. Уровни биологической организации, изучаемые экологией:

— организм; — популяция; — экосистема

Основные свойства живых систем в полной мере реализуются на двух последних – экосистемных уровнях, т.к. ни одна клетка, ни один организм или вид не могут существовать без множества других клеток, организмов, видов и создаваемых ими условий среды. Предмет экологии начинается с организменного уровня.


На уровне организма осуществляется обмен веществом, энергией и информацией с ОС; на уровне популяции к этому добавляются воспроизведение вида, его эволюция и участие в многовидовых сообществах; на уровне экосистемы поддерживается устойчивый круговорот веществ и формирование общей среды сообщества организмов; на уровне биосферы – глобальный круговорот, кооперативное взаимодействие и жизнеобеспечение всех экосистем, создание планетарной среды жизни.

1.4.3. Теория биосферы

Самой крупной, глобальной экосистемой планеты является биосфера. Понятие биосфера было введено в 1875 году австрийским ученым-геологом Э. Зюссом. Зюсс понимал под биосферой совокупность всех живых организмов на Земле, все пространство атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.

Но наибольшее развитие это понятие получило в трудах нашего соотечественника академика В.И. Вернадского “Биосфера” (1926) и “Химическое строение биосферы Земли и ее окружение”. Вернадский, по сути дела, создал новую науку — теорию биосферы. Под биосферой он понимал сферу единства живого и неживого, все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и которое обладает свойствами усложнения структуры и концентрации энергии.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни.

>
ществует несколько гипотез зарождения жизни на планете: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена не нее, 2) жизнь зародилась после образования Земли, 3) жизнь возникла вместе с формированием Земли. Вернадский придерживался последней и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера на Земле была всегда. Биосфера – тонкая оболочка Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы (рис. 1.12). В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном – тонким в несколько миллиметров слоем озона на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью целиком до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

Вернадский, изучив распределение химических элементов по поверхности планеты, пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Само живое вещество не является случайным созданием. Узкие пределы существования жизни – физические постоянные, уровни радиации и т.п. – подтверждают это.

Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь была возможна. Какие условия и постоянные имеются в виду ?

Чем экосистема отличается от биосферы


Рис. 1.12. Границы биосферы

Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции.

Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше, звезды превысят “критическую массу” и обратятся в черные дыры. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота с углеродом. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей, ее изменение делает Вселенную мертвой.

Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит.

Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 °С (от -252°С до +180°С) является, по Вернадскому, предельным тепловым полем.

1.4.4. Теории происхождения жизни

Существует 3 основные теории происхождения жизни: креационизм (все живые организмы созданы Богом, высшей силой), панспермия (жизнь занесена на Землю из космоса, например, белковые соединения обнаружены в метеоритах), эволюция (жизнь возникла на планете в процессе эволюции – под действием естественных законов усложнения форм организации материи).


Аргументы в пользу земного происхождения жизни:

1. Только земная биоорганика обладает оптической асимметрией (левые аминокислоты, правые сахара). Так, если раствор сахара, полученного из свеклы (“живой сахар”) осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся “космическая” и искусственная органика оптически нейтральна. Следовательно, жизнь сформировалась в условиях оптически чистой среды, поэтому организм человека очень чувствителен к неправильно ориентированным изомерам и не имеет защиты от изменений среды. Это свойство используется в медицине. Правый изомер аминокислоты помогает бороться со СПИДом, но вызывает генетические изменения.

2. Вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки известны, но они не поддаются какой-либо логике. Видимо, природа установила эти правила произвольным образом, но однажды принятый “стандарт” един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

1.4.5. Основные положения теории биосферы В.И. Вернадского

1. Жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают критики;


2. Возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;

3. Наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь связывает все процессы в единое целое;

4. Количество живого вещества на Земле является постоянной величиной, то есть во все времена с начала существования Земли в круговорот жизни было вовлечено то же количество вещества, которое мы и сейчас наблюдаем в данном круговороте (включая вещество в захоронениях, типа каменноугольных, нефтяных месторождений и т.п.);

5. Жизнь является главной геологической силой на планете (не вулканизм и не физико-химические процессы выветривания определяют эволюцию верхних слоев литосферы, первостепенную преобразующую роль играют именно живые организмы и обусловливаемые ими механизмы разрушения горных пород, круговороты веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли; весь лик Земли, ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы — это порождение жизни);

6. Человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на него возложена определенная роль в жизни планеты;

7. В настоящее время именно человек превращается в главную геологическую силу на планете (человек меняет состав атмосферы и гидросферы, ландшафты Земли, высвобождает из захоронений огромное количество веществ, возвращая их в круговороты жизни, обедняет разнообразие форм жизни на планете и одновременно порождает или способствует порождению новых форм жизни);


8. Однажды развитие биосферы и общества сделается неразрывным и биосфера перейдет в новое состояние — ноосферу (сфера разума).

Понятие “ноосфера” введено Ле Руа в 1927 г., а концепцию ноосферы создал Пьер Тейяр де Шарден в своей книге “Феномен человека”, и далее она получила свою интерпретацию в трудах Вернадского на основе учения о биосфере. Согласно определению Вернадского под ноосферой подразумевают такое состояние взаимоотношений человека и природы, в котором развитие планеты будет подчинено управляющей силе разума человека в интересах человека. В настоящее время в это понятие вкладывают несколько иной смысл, говоря не о развитии планеты в интересах человека, а о коэволюции человека и природы, при которой человек соизмеряет темпы и направления своего развития с возможностями планеты, поскольку только такой путь развития гарантирует устойчивое существование планеты.

1.4.6. Основные свойства биосферы

Биосфера – это централизованная, открытая, саморегулирующаяся система, характеризующаяся большим разнообразием составляющих ее элементов, обладающая механизмами, обеспечивающими круговорот веществ.

Центральное звено биосферы — все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек, существование биосферы немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца.

Свойство саморегуляции (гомеостаза) биосферы — способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. В настоящее время, хотя биосфера, по-видимому, еще не вступила в стадию глобального кризиса, но отдельные крупные возмущения антропогенного происхождения она гасить уже не в силах, потому что человек разрушает сами механизмы гомеостаза. Результатом человеческой деятельности является либо гибель экосистем (заболоченность, опустынивание и т.п.), либо появление неустойчивых систем типа агроценозов или городов. Большое разнообразие элементов повышает ее устойчивость, так как дает возможность дублирования отдельных функций. В настоящее время описано около 2 млн видов живых организмов (1,5 млн животных и 500 тыс. видов растений). Полагают, что их на Земле в 2-3 раза больше. К настоящему времени арену биосферы оставили более 95 % существовавших когда-то видов. Вся деятельность человека без исключения подчинена упрощению экосистем любого ранга, то есть уменьшению разнообразия видов, что также наносит удар по механизмам гомеостаза. Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации. Они позволяют в короткое время получить большой объем продукции. Плата за это снижение устойчивости экосистем, их распад и деградация среды.

Механизмы, обеспечивающие круговорот веществ, гарантируют неисчерпаемость отдельных химических соединений в биосфере. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов. Как говорил академик-почвовед В.Р.Вильямс, есть единственный способ сделать какой-либо процесс бесконечным — пустить его по пути круговоротов.

1.4.7. Гипотеза о возникновении Геи-Земли

Гипотеза Геи-Земли (от греч. “Гея” – богиня Земли) возникла в последние два десятилетия и перекликается с основными положениями теории биосферы Вернадского.

Авторы гипотезы – английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Согласно этой гипотезе, Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. Это квазиживая целостность (Дж. Лавлок), которая обладает свойством глобального гомеостаза, способного нейтрализовать неблагоприятные внешние воздействия в пределах способности к саморегуляции.

Пример: С появления жизни на планете действовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света – это механизм обратной связи. Изменение яркости потоков солнечного света вызвало рост биоразнообразия, это привело к возрастанию способности регулировать температуру поверхности Земли и к росту биомассы.

ª Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение биосферы. Кто создал теорию биосферы ?

2. Перечислите основные свойства биосферы.

3. Какие особенности экосистем вы можете назвать ?

4. Опишите кратко основные положения теории биосферы Вернадского.

5. Дайте определение ноосферы.

6. Почему “фабрику” биосферы называют безотходным производством ?

Источник: studopedia.ru

Биоценоз

Биоценоз (или сообщество) — исторически сложившаяся устойчивая совокупность популяций организмов разных видов, населяющих сравнительно однородный участок территории или акватории и связанных определенными взаимоотношениями. (К. Мебиус, 1877 г.).

Примеры биоценозов: сообщества на стволе дерева, в норе, на участке леса, луга, озера, болота, пруда и т.д.

Различные популяции биоценоза должны быть приспособлены к совместной жизни. Это означает, что:

■ у всех видов биоценоза должны быть сходные требования к абиотическим условиям среды (свету, температуре, влажности и т.д.);

■ должны существовать закономерные трофические (пищевые), топические, форические и фабрические взаимосвязи между организмами разных популяций, необходимые для осуществления их питания, размножения, расселения и защиты.

❖ Составные части биоценоза:

фитоценоз (устойчивое сообщество растений); имеет легко распознаваемые характерные черты и границы, является главным структурным компонентом любого биоценоза, определяет видовой состав зоо-, мико- и микробоценозов;
зооценоз (совокупность взаимосвязанных видов животных);
микоценоз (сообщество грибов);
микробоценоз (сообщество микроорганизмов).

❖ Свойства биоценоза:
■ биоценоз складывается из популяций разных видов организмов;
■ части биоценоза взаимозаменяемы (один вид может занять место другого вида со сходными экологическими требованиями);
■ биоценоз существует за счет уравновешивания противоположно направленных сил (хищники и жертвы, паразиты и хозяева и т.п.) и количественной регуляции численности одних видов другими;
■ размеры биоценоза определяются его биотопом (см. ниже).

Экотоп — это первичный комплекс абиотических факторов среды и некоторых компонентов живого происхождения (почва, грунт), имевшихся на участке земной поверхности (суши или водоема), занимаемом тем или иным биоценозом, без учета изменений, привнесенных живыми существами данного биоценоза.

■ Все факторы экотопа можно разделить на климатоп, эдафотоп и гидротоп.
Климатоп — совокупность климатических факторов экотопа.
Эдафотоп — совокупность почвенно-грунтовых факторов.
Гидротоп — совокупность гидрофакторов (наличие и характеристики водоема, содержащейся в нем воды и т.п.).

Биотоп — это участок среды (суши или водоема), имеющий относительно однородные условия обитания и занимаемый одним биоценозом. При этом условия среды рассматриваются с учетом всех видоизменений, которые были привнесены в них организмами данного биоценоза.

Биогеоценоз и экосистема

Биогеоценоз (кратко — БГЦ) — это лежащий в границах определенного фитоценоза и связанный взаимным обменом веществ и энергии единый природный комплекс, образованный участком земной поверхности (суши) с определенными условиями среды обитания (биотопом) и популяциями всех видов организмов, населяющих этот биотоп (биоценозом), см. рис.

struktura-biogeotsenoza

Примеры биогеоценозов: ельник, дубрава, сфагновое болото, суходольный луг и др.

Биогеоценоз функционирует как целостная самовоспроизво-дящаяся, саморегулирующаяся открытая система. Популяции организмов получают из неорганической среды ресурсы, необходимые для поддержания жизни, и одновременно выделяют продукты жизнедеятельности, восстанавливающие среду.

Экологическая система (или экосистема) — любая совокупность совместно обитающих организмов и неорганических компонентов, при взаимодействии которых происходит круговорот веществ и поток энергии.

Примеры экосистем; гниющий пень, муравейник, лужа с дождевой водой, парк, аквариум, биосфера и др.

Отличие экосистемы от биогеоценоза. Понятие экосистемы не требует каких-то ограничений на занимаемую ею территорию или акваторию и может применяться к любым комплексам организмов и их среды обитания (включая водную), не только к естественным (природным), но и к созданным человеком. Биогеоценоз — это природная, выделяемая на суше экосистема, границы которой определены фитоценозом, т.е. растительным сообществом. Поэтому экосистема — понятие более широкое, чем биогеоценоз: любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема является биогеоценозом.

❖ Компоненты биогеоценоза:
■ неорганические вещества, включающиеся в круговорот (соединения углерода и азота, кислород, вода, минеральные соли);
■ климатические факторы (температура, освещенность, влажность);
■ органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.);
■ организмы различных функциональных групп — продуценты, консументы, редуценты.

Продуценты — автотрофные организмы (в основном зеленые растения и водоросли), синтезирующие органические вещества из неорганических. Продуценты используют энергию Солнца, преобразуя ее в химическую энергию органических веществ, доступную всем остальным организмам.

Консументы — потребители органического вещества — гетеротрофные организмы, питающиеся готовыми органическими веществами. К консументам относятся все растительноядные, плотоядные и всеядные животные, а также паразиты.

Редуценты — гетеротрофные организмы (бактерии, грибы), которые в процессе своего питания разрушают органическое вещество отмерших растений и животных и экскременты животных, превращая их в простые неорганические соединения, пригодные для усвоения растениями.

Характеристики биогеоценоза (экосистемы): биомасса, продуктивность, видовое разнообразие, плотность популяций каждого вида, соотношение видов по численности и плотности популяций, пространственная и трофическая (пищевая) структуры и т.д.

Биомасса — суммарная масса всех организмов экосистемы или отдельных ее трофических уровней.

■ Биомасса выражается обычно в единицах массы вещества на единицу площади или объема экосистемы (кг/га, кг/м3 и др.).

■ Биомасса всех организмов Земли составляет 2,4 • 1012 т сухого вещества, 90% от этого количества составляет биомасса наземных растений.

Продуктивность — прирост биомассы, созданный организмами экосистемы за единицу времени на единице площади или объема.

■ Продуктивность выражается в единицах массы вещества на единицу площади или объема за определенный отрезок времени (кг/м2 в год и др.).

Первичная продуктивность экосистемы — количество биомассы, продуцированной за единицу времени всеми растениями этой экосистемы в результате фотосинтеза.

Вторичная продуктивность экосистемы — количество биомассы, продуцированной всеми консументами этой экосистемы за единицу времени.

■ Общая годовая продукция сухого органического вещества на Земле 150-200 млрд, т (из них 2/3 дают наземные экосистемы, 1/3 — водные экосистемы).

■ Наиболее продуктивные экосистемы: тропический дождевой лес (около 2 кг/м2 в год) и приполярные области Мирового океана (около 0,25 кг/м2 в год).

Видовая структура биогеоценоза (экосистемы)

Видовая структура БГЦ или экосистемы — разнообразие видов всех входящих в БГЦ (или экосистему) популяций и соотношение этих видов по численности (или биомассе) и плотности популяций.

■ В каждой экосистеме происходит естественный отбор организмов, наиболее приспособленных к данным экологическим условиям.

■ Различают экосистемы, богатые видами (коралловые рифы, дождевые тропические леса и др.), и бедные ими (арктическая тундра, пустыни, болота и др.).

Виды-доминанты — виды, преобладающие по численности особей или занимающие большую площадь в данной экосистеме.

Виды-эдификаторы — виды-доминанты (чаще растения, иногда животные), играющие главную роль в определении состава, структуры и свойств экосистемы путем создания среды для всего сообщества (в ельнике — ель, в березняке — береза и т. д.).

Например, в еловом лесу освещенность значительно меньше, а температура воздуха ниже, чем в лиственном; дождевые воды, стекающие с крон елей, имеют кислую реакцию, а под деревьями формируется мощная подстилка из очень медленно разлагающейся хвои с низким содержанием гумуса. В результате ель в процессе своей жизнедеятельности настолько изменяет условия среды, что данный биотоп становится непригодным для существования многих видов организмов и заселяется только видами, хорошо приспособленными к жизни в таких условиях.

Роль редких и малочисленных видов: они увеличивают разнообразие связей в сообществе и служат резервом для замещения видов-доминантов.

■Чем специфичней условия среды, тем беднее видовой состав и выше численность отдельных видов. И наоборот, в богатых сообществах все виды малочисленны.

■ Чем выше видовое разнообразие, тем устойчивее сообщество.

Пространственная и экологическая структуры биогеоценоза

Пространственная структура — распределение организмов (в основном растений) по достаточно четко ограниченным в пространстве (по вертикали и/или по горизонтали) элементам структуры — ярусам и микрогруппировкам.

Ярусы характеризуют вертикальное расчленение фитоценозов. Их образуют надземные вегетативные органы растений и их корневые системы.

■ Основной фактор, определяющий вертикальное распределение растений, — количество света, обусловливающее температурный и влажностный режимы на разных уровнях над поверхностью почвы в биогеоценозе. Верхние ярусы образуются светолюбивыми и лучше приспособленными к колебаниям температуры и влажности воздуха растениями; в нижних ярусах обитают растения, менее требовательные к свету.

■ Ярусы хорошо выражены в лесу (древесный, кустарниковый, травянистый, моховой и т.д.). Животные также распределены по ярусам (обитатели кустарников, мохового покрова, почвы и т. д.).

■ Подземная ярусность фитоценозов выражена слабо или отсутствует. Как правило, общая масса подземных органов закономерно снижается сверху вниз.

Мозаичность — расчлененность (неоднородность) биогеоценоза по горизонтали, выражающаяся в наличии в нем различных микрогруппировок, которые различаются видовым составом, количественным соотношением разных видов, продуктивностью и другими признаками и свойствами.

Мозаичность обусловлена:
■ неоднородностью микрорельефа;
■ особенностями биологии размножения и формы растений;
■ деятельностью растений, животных и человека (образованием муравейников, вытаптыванием травостоя, выборочной вырубкой деревьев и др.).

Экологическая структура БГЦ — это соотношение различных экологических групп организмов, составляющих данный биогеоценоз.

■ Разнообразие и обилие представителей той или иной экологической группы зависят от условий среды (в пустынях преобладают приспособленные к жизни в условиях недостатка воды растения ксерофиты и животные ксерофилы; в водных сообществах — растения гидрофиты и животные гидрофилы и т.д.) и складываются в течение длительного времени в определенных климатических, почвенно-грунтовых и ландшафтных условиях строго закономерно.

■ Это разнообразие обеспечивает высокую плотность организмов в расчете на единицу территории, их максимальную биологическую продуктивность и оптимальные конкурентные отношения.

Сообщества со сходной экологической структурой могут иметь разный видовой состав, так как одни и те же экологические ниши могут занимать разные виды (пример: одну и ту же экологическую нишу в европейской тайге занимает куница, в сибирской — соболь).

Трофическая структура экосистемы. Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Все организмы в любой экосистеме объединяет общность питательных веществ и энергии, необходимых для поддержания жизни. Необходимое условие существования экосистемы — постоянный приток энергии извне. Основным способом движения веществ и энергии в экосистеме является питание.

Трофический уровень — совокупность организмов, объединенных типом питания.

Различают следующие трофические уровни:

первый уровень образуют автотрофные организмы (продуценты), создающие органические вещества из неорганических за счет солнечной энергии;

второй трофический уровень образуют травоядные животные (консументы 1-го порядка: гусеницы бабочек, мыши, полевки, зайцы, козы и т. п.), потребляющие органические вещества, созданные растениями-продуцентами;

третий трофический уровень составляют плотоядные животные (консументы 2-го порядка: хищные насекомые, насекомоядные птицы и т.п.), поедающие мелких травоядных животных;

четвертый трофический уровень образуют плотоядные животные (консументы 3-го порядка: хищные птицы и звери), потребляющие консументов 2-го порядка, и т.д.

Плотоядные животные могут переходить с третьего на четвертый уровень и обратно, а также на более высокие трофические уровни.

Трофическая (пищевая) цепь (или цепь питания) — ряд организмов, связанных друг с другом пищевыми взаимоотношениями (путем поедания одних видов другими) и составляющих определенную последовательность, по которой осуществляется круговорот веществ и поток энергии в экосистеме путем их передачи с одного трофического уровня на другой.

■ Отдельными звеньями трофической цепи являются организмы, принадлежащие к разным трофическим уровням.

Трофическая сеть экосистемы — сложное соединение всех характерных для данной экосистемы цепей питания, в которых звенья одной цепи являются составными частями других цепей.

■ Трофическая сеть отражает трофическую структуру экосистемы.

❖ Типы трофических цепей:

пастбищные цепи (цепи выедания или потребления) начинаются с фотосинтезирующих организмов-продуцентов: на суше: растения → насекомые → насекомоядные птицы → хищные птицы; или растения → растительноядные млекопитающие → хищные млекопитающие; в море: водоросли и фитопланктон → низшие ракообразные (зоопланктон) → рыбы → млекопитающие (и частично птицы). Пастбищные цепи преобладают в морях на относительно небольших глубинах.

детритные цепи (цепи разложения) начинаются с отмерших мелких остатков растений, трупов и экскрементов животных (детрита): детрит → питающиеся им микроорганизмы-редуценты (бактерии, грибы) → мелкие животные (детритофаги: дождевые черви, мокрицы, клещи, ногохвостки, нематоды) → хищники (птицы, млекопитающие). Такие цепи наиболее распространены в лесах, где более 90% ежегодного прироста биомассы растений отмирает, подвергаясь разложению сапро-трофными организмами и минерализации.

Основные характеристики пищевой цепи внутри биогеоценоза: длина цепи, количество, размер и биомасса организмов на каждом трофическом уровне.

■ Цепь питания обычно состоит из 3-5 звеньев (трофических уровней) вследствие больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов.

Продуктивность организмов каждого последующего трофического уровня пищевой цепи всегда меньше (в среднем в Ю раз) продукции предыдущего, поскольку:

■ консументами ассимилируется лишь часть пищи (остальное выделяется в виде экскрементов);

■ большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и другие процессы жизнедеятельности.

Экологическая пирамида — графическое изображение соотношения между численностями особей, биомассами или энергиями организмов, составляющих трофические уровни в экосистеме, выраженное в числе особей.

■ При этом отдельные звенья пищевой цепи изображают в виде прямоугольников, площадь которых соответствует численным значениям звеньев.

Типы экологических пирамид:

■ пирамида чисел графически отображает соотношение численностей особей разных трофических уровней экосистемы;

■ пирамида биомасс графически показывает количество биомассы (массы живого вещества) на каждом трофическом уровне;

■ пирамида энергии графически отображает величины потоков энергии, передаваемой с одного трофического уровня на другой.

tipyi-ekologicheskih-piramid

❖ Свойства экологических пирамид:

■ высота пирамид определяется длиной пищевой цепи;

■ биомасса и численность особей каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается — правило экологической пирамиды; оно действует в большинстве (но не во всех) наземных экосистем; в таких экосистемах основания пирамид чисел и биомасс больше последующих уровней;

■ в водных экосистемах основания пирамид чисел и биомасс могут быть меньше, чем размеры последующих уровней (пирамиды перевернуты), что объясняется небольшими размерами организмов-продуцентов (одноклеточных водорослей -фитопланктона);

■ пирамида энергии в наземных и водных экосистемах всегда суживается кверху, так как энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы.

Самовоспроизводство. саморегуляция и устойчивость экосистем

Любая экосистема является сложной динамической системой, состоящей из многих сотен, иногда тысяч видов организмов, объединенных трофическими, топическими и другими связями.

Самовоспроизводство — способность экосистем воссоздавать поток энергии и обеспечивать круговорот основных веществ и элементов между живыми и неживыми компонентами.

■ Живые организмы извлекают из среды ресурсы и поставляют в нее продукты жизнедеятельности (растения используют световую энергию, СО2, Н2О, пополняют атмосферу О2; животные поглощают из атмосферы О2, выделяют в нее СО2 и т.д.).

Саморегуляция — способность населения экосистемы восстанавливать свой видовой и количественный состав после какого-либо отклонения, а также способность его различных видов существовать совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенным уровнем.

■ Регулирующие факторы формируются в самой экосистеме: хищники регулируют численность своих жертв, деятельность травоядных животных влияет на растения и т.д.

■ Саморегуляция действует по принципу обратной связи. Пример: массовое размножение грызунов приводит к значительному росту численности хищников и паразитов, которые сокращают величину популяции грызунов. Вслед за этим сокращается и численность хищников, так как они начинают погибать от недостатка пищи. В итоге динамическое равновесие в экосистеме восстанавливается.

Экосистемный гомеостаз — свойство относительного постоянства видового состава и численности особей различных видов в экосистеме, а также относительной стабильности и целостности генетической структуры экосистемы.

■ Указанное постоянство соблюдается лишь в среднем и отражает динамическое равновесие противоположно действующих факторов.

Устойчивость — способность экосистемы выдерживать изменения, вызванные внешними (природными или антропогенными) воздействиями, и восстанавливать связи и динамическое равновесие между основными ее компонентами, нарушенные внешним воздействием.

■ Устойчивость каждой экосистемы имеет свои пределы: если интенсивность или время действия внешнего воздействия превысит некоторый порог, экосистема может погибнуть.

♦ Факторы, обеспечивающие устойчивость и длительность существования экосистемы:
■ постоянный приток солнечной энергии;
■ общий круговорот веществ, осуществляемый продуцентами, консументами и редуцентами;
■ саморегуляция экосистемы;
■ биологическое разнообразие и сложность трофических связей организмов, входящих в ее состав;
■ возможность переключения организмов на питание другим видом взамен вида, ставшего редким (так как почти все виды животных могут использовать несколько источников пищи); при этом малочисленный вид, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет восстанавливать свою численность;
■ высокий потенциал размножения основных групп организмов экосистемы (экосистема устойчива, если уменьшение осадков на 50% приводит к уменьшению массы продуцентов на 25%, травоядных консументов на 12,5%, хищных консументов на 6,2% и т.д.);
■ генетическое разнообразие особей популяций; чем оно выше, тем больший шанс у популяции иметь организмы с аллелями, ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих выжить и размножаться в изменившихся условиях существования и восстановить прежнюю численность;
■ невысокая степень колебаний условий внешней среды. Например, высоко устойчивы тропические экосистемы, поскольку для тропиков характерны относительное постоянство температуры, влажности, освещенности. Наоборот, для тундры характерны резкие перепады температуры, влажности, освещенности, поэтому тундровые экосистемы менее устойчивы, и им свойственны резкие колебания численности популяций разных видов.

Основанные на знании законов динамики экосистем расчеты их продуктивности и потоков энергии позволяют регулировать численность популяций и круговорот веществ в экосистемах так, чтобы добиться наибольшего выхода необходимой для человека продукции.

Непродуманное вмешательство человека в экосистемы может нарушить природные цепи питания и привести к неконтролируемому росту или снижению численности особей определенных популяций и к нарушению природных экосистем.

Саморазвитие и сукцессия экосистем

Абсолютно устойчивое состояние экосистемы никогда не достигается по причине:
■ непостоянства условий внешней среды;
■ изменений, происходящих в самой экосистеме вследствие жизнедеятельности ее организмов.

Саморазвитие экосистемы — ее способность к циклическим и поступательным изменениям, вызванным различными причинами.
■ Циклические изменения обычно связаны с суточными и сезонными изменениями внешних условий и биологическими ритмами организмов.
■ Поступательные изменения вызываются постоянно действующими внешними или внутренними факторами и приводят к смене одного биогеоценоза другим (сукцессии).

Сукцессия — закономерная, последовательная, необратимая и направленная смена (на определенной территории) одного биогеоценоза другим.

Смена одного фитоценоза в экосистеме другим составляет сукцессионный ряд. При отсутствии нарушений сукцессия завершается образованием более устойчивого сообщества, находящегося в относительном равновесии с абиотической средой (ельник, дубрава, ковыльные степи, торфяное болото и др.).

primer-suktsessionnogo-ryada

❖ Причины сукцессий:

внешние: постоянно действующие внешние факторы: изменение на данной территории климата и почвенно-грунтовых условий (заболачивание, засоление), в том числе в результате хозяйственной деятельности человека (вырубки лесов, орошения земель в засушливых районах, осушения болот, внесения удобрений на луга, распашки, усиленного выпаса скота и т.д.);

внутренние: изменения, возникающие в биотопе вследствие жизнедеятельности организмов при длительном существовании популяций на одном месте, из-за чего биотоп становится малопригодным для одних видов, но пригодным для других. В результате на этом месте развивается другой, более приспособленный к новым условиям биоценоз.

Изменение условий среды обитания (биотопа) неизбежно приводит к изменению (смене) биоценоза. В результате на месте прежнего биогеоценоза (экосистемы) возникает новый. Ведущая роль в процессе смены биогеоценозов принадлежит растениям, хотя биогеоценозы изменяются как единое целое. Одновременно с изменением растительности изменяется и животный мир.

❖ Классификация сукцессий в зависимости от состояния и свойств среды:

первичные, начинающиеся на участках, лишенных почвы и растительности (на голых скалах, песчаных дюнах, образовавшихся водоемах, наносах рек, застывших лавовых потоках и т.п.; они длятся сотни и тысячи лет. Важнейшей стадией таких сукцессий является образование почвы путем накопления отмерших растительных остатков или продуктов их разложения;

вторичные, происходящие на месте сформировавшихся сообществ после их нарушения в результате эрозии, пожара, вырубки, засухи, вулканического извержения и т.п. Поскольку в таких местах обычно сохраняются богатые жизненные ресурсы, эти сукцессии протекают быстро (в течение десятков лет).

Агроиеноз

Агроценоз (или агробиоценоз) — искусственно созданная человеком экосистема, структуру и функции которой он поддерживает и контролирует в своих интересах. Это сообщество организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования, занятых посевами или посадками культурных растений.

Примеры; поля, огороды, сады, парки, лесопосадки, пастбища, оранжереи, аквариумы, водоемы для разведения рыбы и т.п.

Роль человека в агроценозе: он создает агроценоз, обеспечивает его высокую продуктивность с помощью комплекса специальных агротехнических приемов, собирает и использует урожай.

❖ Роль агроценозов:

■ в настоящее время они занимают 10% всей поверхности суши (около 1,2 млрд, га) и ежегодно дают 2,5 млрд, т сельскохозяйственной продукции (около 90% всей пищевой энергии, необходимой человечеству);

■ они обладают огромными потенциалом для увеличения продуктивности, реализация которого возможна при постоянном, научно обоснованном уходе за почвой, обеспечении растений влагой и элементами минерального питания, охране растений от неблагоприятных абиотических и биотических факторов.

В состав агроценоза входят культурные растения, сорняки, насекомые, дождевые черви, мышевидные грызуны, птицы, бактерии, грибы и другие организмы, связанные между собой трофическими взаимоотношениями.

Пищевые цепи в агроценозе те же, что и в природной экосистеме: продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, полевки, лисы) и редуценты (бактерии, грибы); обязательное звено пищевой цепи — человек.

❖ Отличия агроценозов от естественных биогеоценозов:

■ в агроценозах действует преимущественно не естественный, а искусственный отбор, который направлен человеком главным образом на максимальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Это резко снижает экологическую устойчивость агроценозов, которые не способны к саморегуляции и самообновлению, не могут существовать самостоятельно (без поддержки человека) в течение более-менее длительного времени (превращаются в биогеоценоз) и могут погибнуть при массовом размножении вредителей или возбудителей болезней;

■ в агроценозах предельно ограничен видовой состав живых организмов, один или несколько видов (сортов) растений, культивируемых на полях, и сопутствующие ему растения (сорняки) и животные (в частности, специализированные насекомые и паразиты), возбудители болезней (грибы, бактерии) и т.д.;

■ в агроценозах отсутствует полный круговорот веществ и резко нарушен баланс питательных элементов (их основная часть изымается человеком при сборе урожая); для возмещения потерь необходимо постоянное внесение в почву различных питательных веществ в виде удобрений;

■ агроценозы, помимо солнечной энергии, имеют дополнительный источник энергии в виде энергии вносимых человеком минеральных и органических удобрений, химических средств защиты от сорняков, вредителей и болезней, энергии, затраченной на обработку почвы, орошение или осушение земель и т.д.;

смена агроценозов происходит по воле человека (в полевых агроценозах — севооборот);

продуктивность агроценозов выше, чем биогеоценозов.

♦ Методы повышения продуктивности агроценозов:
■ осушение и орошение почв;
■ борьба с эрозией (укрепление склонов, безотвальная вспашка, залуживание бывших торфяников);
■ нормированное внесение удобрений;
■ дозированное применение средств борьбы с сорняками, вредителями и болезнями растений;
■ применение биологических способов борьбы с вредителями;
■ использование высокопроизводительной техники;
■ выведение и использование новых высокоурожайных сортов культурных растений, устойчивых к болезням и вредителям;
■ соблюдение научно обоснованных севооборотов;
■ использование теплиц и парников;
■ применение методов выращивания овощей без грунта — гидропоники (в качестве субстрата используется гравий, орошаемый растворами солей) и аэропоники (субстрат отсутствует, а корни периодически опрыскиваются растворами минеральных солей).otlichiya-biogeotsenoza-ot-agrotsenoza

Источник: esculappro.ru

Лекция №2

Биосфера. Экосистемы: типы и составляющие.

План

1. Границы и структура биосферы.

2. Функции живого вещества.

3. Структура и типы экосистем.

4. Биотические компоненты экосистемы.

5. Взаимодействие видов в экосистемах.

1. По современным данным, масса Земли составляет 5,976•1024 кг, объем – 1,08•1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены. Поэтому главной задачей человека является сохранение экологического баланса на планете.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.

Биосфера – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности (преобразованная ими); глобальная экологическая система Земли. Она начала формироваться с появлением на Земле первых организмов. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца болеез,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 г. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Как уже было сказано, биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 млн. видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессыи, как сказал В.И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Биосфера проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, т.е. населяет экосферу.

Экосфера – совокупность экосистем; свойства Земли как планеты, создающие условия для развития биологических систем. Пространственно включает в себя все слои атмосферы, гидросферу и часть литосферы, где возможна жизнь. Впервые предложил использовать термин Л. Кол (1958), также термин встречается в трудах Б. Коммонера (1973).

Законы экологии Б. Коммонера сформулированы в начале 70-х годов XX в.

Первый закон. Все связано со всем. Это закон об экосистемах и биосфере, обращающий внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе. Он призван предостеречь человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что модет привести к непредвиденным последствиям. (например, осушение болот приводит к обмелению рек).

Второй закон. Все должно куда-то деваться. Это закон о хозяйственной деятельности человека, отходы от которых неизбежны, и потому необходимо думать как об уменьшении их количества, так и о последующем их использовании.

Третий закон. Природа "знает" лучше. Это закон разумного, сознательного природопользования. Нельзя забывать, что человек — тоже биологический вид, что он — часть природы, а не ее властелин. Это означает, что нельзя пытаться покорить природу, а нужно сотрудничать с ней. Пока мы не имеем полной информации о механизмах и функциях природы, а без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее "улучшения".

Четвертый закон. Ничто не дается даром. Это закон рационального природопользования. "…Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения". Платить нужно энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением — за повышение урожая, санаториями и лекарствами — за ухудшение здоровья человека и т д.

В отличие от биосферы понятие экосферы включает в себя характеристику состояния окружающей среды, в которой находятся биологические системы, а также области, где могут находиться живые организмы (в том числе за пределами естественной среды обитания).

Границы биосферы:

■ верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов;

■ нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами;

■ граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10- 11 км. Определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.

Живое вещество – вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю. Живое вещество составляет примерно 0,01% от всей массы биосферы, но благодаря высокой химической и геологической активности, именно оно является основой биосферы, состав которой определяется совокупной деятельностью живых организмов в настоящем и прошлом (табл. 2.1). Но это одна из самых могущественных геохимических сил Земли, поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик планеты.

Таблица 2.1

Чем экосистема отличается от биосферы

Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

Биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

Косное вещество – продукты, образующиеся без участия живых организмов. К ним относятся небиогенные минералы и горные породы, образовавшиеся в основном или глубже биосферы (вне области жизни) или в пределах биосферы на глубине нескольких километров без участия живого вещества. Примерами косного вещества являются изверженные горные породы. Мертвые (косные) небиогенные горные породы и минералы по массе во много раз превышают массу всего живого вещества (см. табл. 2.1).

Биокосное вещество – вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и др. Организмы в них играют ведущую роль.

Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

Вещество космического происхождения. Живое вещество неотделимо от биосферы. Оно является как функцией биосферы, так и одной из самой могущественной геологической силой на планете, выполняя различные функции.

2. Как указывает А.В. Лапо, классификация функций живого вещества выделяет десять основных функций.

1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, и рассеиванием. Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В.И. Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию.

2. Газовая функция проявляется в способности изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (С 02) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

3. Окислительно-восстановительная функция выражается в ускорении под влиянием живого вещества процессов окисления (при наличии кислорода) и восстановления (разложение органических веществ при дефиците кислорода). Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.

4. Концентрационная функция заключается в способности живых организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, поглощаемые из среды. По некоторым металлам, например, по марганцу, концентрирование достигает 106. Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями.

5. Противоположная по результатам рассеивающая функция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, смене покровов и т.д.

6. Деструктивная функция состоит в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе после их смерти, как мертвого органического вещества, так и косных веществ. Механизм связан с круговоротом веществ.

7. Транспортная функция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.

8. Средообразующая функция заключается в способности живого вещества изменять химические параметры среды в более благоприятные для живых организмов условия обитания. Она направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека; осуществляется посредством изменения газового состава атмосферы и химического состава гидросферы, образования почвы и осадочных пород, баланса веществ и энергии в биосфере, восстановления нару­шенных человеком условий обитания и др.

9. Средорегулирующая функция – биотическая регуляция окружающей среды. Биота (любая пространственная совокупность живых организмов) способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды несмотря на сложность регулируемой системы. Например, биота океана регулирует и стабилизирует концентрацию оксида углерода (II) СО2 в атмосфере. Механизм этой регуляции сводится к следующему. Атмосферная концентрация СО2 находится в равновесии с его концентрацией в поверхностном слое океана. Биота океана, регулируя концентрацию в поверхностном слое океана, фактически стабилизирует концентрацию в атмосфере.

10. Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Таким образом, структура и функции биосферы достаточно сложны. Но необходимо отметить главное: ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой.

Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом направленности в развитии всего органического и неорганического мира. Дисбаланс в этот процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может быть не только соизмерима с катастрофическими развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.

3. Объектами экологии являются преимущественно системы выше уровня организмов (рис. 2.1), т.е. изучение организации и функционирования надорганизменных систем: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы в целом. Другими словами, главным объектом изучения в экологии являются экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания:

Чем экосистема отличается от биосферы

Рис 2.1 Структура биологических систем в биосфере

(по И.А. Шилову, 1988)

Живой организм – это любая форма жизнедеятельности. В курсе школьной биологии чаще всего используется классификация, в которой выделяют четыре царства: бактерии, грибы, растения и животные. Более сложная классификация включает в себя дополнительно вирусы и простейшие органические соединения (гумус). Размеры растений варьируют от микроскопических одноклеточных плавающих растений, известных как фитопланктон, до самых больших из всех живых организмов – деревьев секвойя, произрастающих в западной части Северной Америки. Размеры животных могут изменяться от мельчайшего плавающего зоопланктона до 4-метрового африканского слона и 30-метрового голубого кита.

Бактерии не меют оформленного клеточного ядра, поэтому их объединяют в надцарство, называемое надцарством прокариотов. Растения, грибы и животные имеют оформленное клеочное ядро, по причине чего их также объединяют в одно надцарство, называемое надцарством эукариотов.

Популяция – группа организмов одного вида, проживающих на определенной территории. Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки обыкновенные или дубы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом. Популяции – это динамичные группы организмов, адаптирующиеся к изменениям условий окружающей среды путем изменения своих размеров, распределения возрастных групп (возрастной структуры), генетического состава.

Вид – совокупность популяций особей, представители которых фактически или потенциально скрещиваются друг с другом в естественных условиях. Подсчитано, что в мире существует от 3 до 30 млн видов живых организмов.

Каждый организм или популяция имеет свое местообитание (ареал): местность или тип местности, где они проживают. Совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, объединенных общей областью распространения, называют биотой. Примерами являются все растения, животные, грибы, вирусы, произрастающие и проживающие в лесу, пруду, пустыне или в аквариуме.

Экосистема – взаимосвязь сообществ (биоценоз) с химическими и физическими факторами, создающими неживую окружающую среду (биотоп). Это вечно меняющаяся (динамичная) сеть биологических, химических и физических взаимодействий, которые поддерживают жизнеспособность сообществ и помогают им приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды. Примером может служить лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов.

Экосистема = Биотоп + Биоценоз

Масштабы или размеры экосистем в природе чрезвычайно разнообразны. Выделяют микроэкосистемы (лужа, ствол гниющего дерева, труп животного с населяющими его организмами, аквариум, пока в нем присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот), мезоэкосистемы (лес, пруд и т.д.), макроэкосистемы (океан, континент и т.п.). Глобальная экосистема одна – это биосфера.Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

По мнению Ю. Одума (1986), выделяют три группы природных экосистем: наземные (биомы), пресноводные и морские (рис. 2.2).

Чем экосистема отличается от биосферы

Рис 2.2 Основные типы природных экосистем

В основе классификации лежат определенные признаки: для наземных – тип растительности, для пресноводных – физические свойства воды и др.

Как большие, так и малые экосистемы обычно не имеют четких границ. Переходная зона между двумя смежными экосистемами называется экотоном. Экотон включает в себя представителей видов растений, животных и деструкторов обеих смежных экосистем.

Неживые, или абиотические, компоненты экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам, как вы уже знаете, относятся солнечный свет, тень, испарения, ветер, температура и водные течения. Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста, размножения организмов.

4. Биотические компоненты экосистемы – основные типы организмов, которые формируют живые компоненты экосистемы. Прежде всего все организмы делятся по способу питания на автотрофов и гетеротрофов

1. Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии и др. Это замечательные химические фабрики.

Используя энергию света, они из углекислого газа и воды синтезируют глюкозу, выделяя в качестве побочного продукта кислород. Окисляя часть глюкозы для получения дополнительной химической энергии из остальной глюкозы и извлекаемых из почвы биогенов, они образуют другие сложные органические молекулы и все ткани растений, за счет которых и растут.

2. Гетеротрофные организмы – представители живого органического мира, нуждающиеся в органической пище для осуществления своих метаболических функций. К ним относятся все животные, некоторые сосудистые растения (паразиты, грибы), некоторые бактерии.

Гетеротрофы в свою очередь в зависимости от источника готовых органических веществ делятся на:

■ сапрофиты (например, грибы, микроорганизмы), потребляющие мертвую органику,

■ паразиты (например, клещи, глисты), способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей.

Как видим, главное отличие гетеротрофов от автотрофов заключается в химической природе необходимых им питательных веществ. Отличается и сущность процессов их питания. Автотрофные организмы затрачивают энергию при преобразовании неорганических веществ в органические, гетеротрофы энергию при питании не затрачивают.

Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические (пищевые) взаимодействия, тем самым выполняя важнейшие экологические функции в биотических сообществах. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Их принято подразделять на продуцентов, консументов иредуцентов. Это разделение базируется на преобладающем способе питания организмов.

Продуценты («самопитающиеся») производят пищу себе и снабжают питанием всех остальных – и консументов, и редуцентов; это наземные зеленые растения, производящие органические вещества из неорганических.

Консументы – потребители органических веществ. В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

■ фитофаги (растительноядные) – это консументы первого порядка, питающиеся исключительно живыми растениями (либо целиком, либо их отдельными органами). Например, птицы едят семена, почки и листву. Олени и зайцы питаются ветками и листьями. Кузнечики и многие другие виды насекомых потребляют все части растений;

■ хищники (плотоядные) – это консументы второго порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы третьего порядка, питающиеся только плотоядными животными. Пауки и птицы, поедающие хищных насекомых, и тунец, питающийся сельдью, являются вторичными консументами. Ястреб или сокол, охотящиеся на змей и горностаев, а также акула, питающаяся другими рыбами, относятся к третичным консументам;

■ эврифаги (всеядные),которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

Редуценты (восстановители) возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (СО2, NО2, Н2О). Возвращая в почву или водную среду биогенные элементы, они тем самым завершают биохимический круговорот. Существует два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы.

Детритофаги напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. К ним можно отнести, например, крабов, шакалов, термитов, дождевых, червей, многоножек, муравьев и грифов.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно мертвые древесные породы и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате чего сложные органические молекулы делятся на более простые неорганические соединения. Этот процесс, также входящий в пищевую цепь, производится отдельным типом редуцентов – деструкторами. К деструкторам относятся два типа организмов – грибы и микроскопические одноклеточные бактерии. В свою очередь, грибы и бактерии являются важным источником питания для таких живых организмов, как черви и насекомые, обитающие в почве и воде. Редуценты являются завершающим звеном в круговороте веществ.

5. Экологическая ниша – это комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду, для жизни, роста и размножения в данной экосистеме. Понятие ниши включает в себя и роль организма в экосистеме. Известная аналогия утверждает, что местообитание организма – это его «адрес» в экосистеме, тогда как экологическая ниша – его «род занятий» и «стиль жизни».

Знание экологической ниши позволяет ответить на вопросы, как, где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он отдыхает и размножается.

Помимо прочего, экологические ниши включают в себя взаимодействия различных видов в экосистеме. Причем они могут быть как отрицательными (конкуренция, аменсализм), так и положительными (комменсализм, протокооперация, мутуализм), имеются также взаимодействия (хищничество, паразитизм), которые могут быть отнесены к обеим группам.

Пока экосистема обладает достаточным количеством ресурсов общего пользования, разные виды потребляют их сообща. Однако если два или более видов в одной экосистеме начнут потреблять один и тот же дефицитный ресурс, они окажутся в отношениях межвидовой конкуренции. Их экологические ниши, по крайней мере частично, пересекаются. Дефицитными ресурсами могут оказаться пища, вода, углекислый газ, солнечный свет, почвенные питательные вещества, жизненное Пространство, места укрытия или любой другой жизненно важный фактор среды. Пример межвидовой конкуренции – борьба серых и черных крыс, в результате которой серые крысы вытеснили с большей территории черных, так как они лучше приспособлены к существованию.

Внутривидовые взаимодействия означают объединение животных одного вида в группы по две или более особей. Внутривидовая конкуренция проявляется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих; гнездовий и известную площадь в округе. Таковы взаимодействия многих птиц и рыб.

Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны. Два живущих рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно.

Нейтрализм – оба вида независимы и не оказывают никакого воздействия друг на друга. В этом случае виды не связаны непосредственно друг с другом и даже не контактируют между собой. Например, совы и лисы, змеи и тигры.

Аменсализм – это такие биотические отношения, при которых происходит торможение роста одного вида (аменсала) продуктами выделения другого. Лучше всего они изучены у растений и микроорганизмов, которое в борьбе с конкурентами за ресурсы применяют различные ядовитые вещества и это явление называют аллелопатией. Например, плесневые грибы, находясь в одной среде обитания с кишечной палочкой, выделяют вещество, которое вызывает гибель последней.

Хищничество – это когда отдельная особь одного вида, называемого хищником, питается организмами (или частями организмов) другого вида, называемого жертвой, причем хищник живет отдельно от жертвы. В таких случаях говорят, что эти два вида организмов вовлечены в отношения типа хищник-жертва. В океанах одним из наиболее опасных хищников является акула. Виды-жертвы пользуются целым рядом защитных механизмов, чтобы не стать легкой добычей для хищника. Некоторые из них умеют быстро бегать или летать. Другие обладают толстой кожей или панцирем. Третьи имеют защитную окраску или способны изменять цвет, маскируясь в окружающей среде. Четвертые выделяют химические вещества с запахом, или вкусом, отпугивающим хищника или даже отравляющим его.

У хищников тоже есть несколько способов добычи жертвы. Плотоядные в отличие от травоядных обычно вынуждены преследовать и догонять свою пищу. Одни хищники, чтобы прокормиться, вынуждены быстро бегать, как, например, гепард. Другие, например пятнистые гиены, львы, волки, достигают той же цели, охотясь стаями. В естественных условиях такие виды обычно более многочисленны, чем леопарды, тигры и пантеры, которые охотятся в одиночку.

Третий способ добывания пищи хищниками – это отлов в качестве жертв преимущественно больных, раненых и прочих неполноценных особей. Подобный естественный отбор особей того или иного вида идет на благо виду в целом, поскольку сдерживает распространение заболеваний в популяции и оставляет более сильных и здоровых особей для размножения.

Четвертый путь обеспечения себя животной пищей – это путь, по которому пошел человек разумный, путь изобретения орудий охоты и ловушек, а также одомашнивания животных.

Паразитизм – форма взаимоотношений между организмами, тесно связанными в своем жизненном цикле, при которой один, из них (паразит) живет за счет питания тканями или соками другого (хозяина). Паразит, используя для своей жизнедеятельности питательные вещества хозяина, тем самым постепенно ослабляет и нередко даже убивает его.

Как хозяевами паразитов, так и самими паразитами могут быть и растения, и животные.

Паразиты различаются по тому, насколько они тесно связаны со своим местообитанием, т.е. хозяином. Эктопаразиты питаются телом хозяина, находясь на его поверхности: блохи, вши, клещи, черви-сосальщики (паразиты-животные); тля, мучнистая роса, раффлезия (паразиты-растения). Как правило, у них имеются специальные приспособления, например, черви-сосальщики снабжены прикрепительным аппаратом, состоящим из крючков и присосок на заднем конце тела, что позволяет им хорошо удерживаться на теле рыбы-хозяина.

Эндопаразиты – внутренние паразиты – имеют наиболее совершенные приспособления, позволяющие им существовать внутри хозяина. Это внутриклеточные паразиты высших растений – вирусы, бактерии и плесневые грибы; эндопаразиты в кишечнике позвоночных животных – глисты, ленточные черви и пр.

Но даже у блох и клещей могут быть свои собственные паразиты, гораздо меньшие по размерам, чем они сами.

Комменсализм (от лат. «сотрапезник») характеризуется тем, что один из двух видов (комменсал) извлекает из такого взаимодействия пользу, тогда как на другом это практически не отражается (ни положительно, ни отрицательно). Например, в открытом океане некоторые виды усоногих рачков селятся прямо на челюстных костях китов. В результате такого сожительства рачки приобретают безопасное убежище и стабильный источник пищи. Для кита от такого соседства, очевидно, нет никакой пользы, но и вреда оно тоже не приносит.

Протокооперация – оба организма получают преимущества от объединения, хотя их сосуществование не обязательно для их выживания. Например, крабы и кишечнополостные: краб «сажает» себе на спину кишечнополостное, которое маскирует и защищает его (имеет стрекательные клетки), но, в свою очередь, оно получает от краба кусочки пищи и использует его как транспортное средство.

Мутуализм (от лат. «взаимный») – форма симбиоза, при которой каждый из сожителей получает относительно равную пользу, при этом они не могут существовать друг без друга. Такая форма совместного существования благоприятна для их роста и выживания. Мутуалистические взаимоотношения можно проследить между хвойными деревьями и некоторыми видами грибов, произрастающих на их корнях. Грибы поглощают из корней нужные им растворы, обогащенные питательными веществами и в то же время помогают древесным корням извлекать из почвы воду и минеральные элементы. Классическим примером служат лишайники – тесное сожительство гриба и водоросли. Гриб защищает водоросль, а последняя его кормит.

? Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение биосферы.

2. Чем отличается биосфера и экосфера?

3. Перечислите структурные элементы биосферы.

4. Какова роль «живого вещества» на Земле?

5. Дайте классификацию живым организмам.

6. Какие существуют типы экосистем?

7. На какие две группы по типу питания делятся все живые организмы?

8. Как взаимосвязаны продуценты, консументы. и редуценты?

9. В чем заключается межвидовая и внутривидовая конкуренция? Ответ проиллюстрируйте примерами.

10. Поясните, чем отличаются такие виды взаимодействия видов, как нейтрализм, аменсализм, хищничество.

Источник: multiurok.ru