Модуль 3 - МСУ Наша Арктика

Модуль 3: Биологические характеристики и процессы в
Циркумполярном мире.
Составители: Брюс Форбс, с.н.с., Арктический центр, Рованиеми, Финляндия
Стив Янг, директор Центра северных наук, США
Основные понятия:
Энергия
Вода
Стратегии выживания
Морская окружающая среда
Изменения окружающей среды
Настоящее определение биома тундры
Дополнительная литература/материалы
Контрольные вопросы
Словарь терминов
Ключевые термины и понятия
-
олень/карибу
морские млекопитающие
полярный медведь
флора
растительность
пищевые цепи
Цели обучения/результаты
По окончании данного модуля студент должен:
-
-
уметь назвать и описывать четыре базовые концепции, которые раскрывают
наше понимание жизни в Арктике, и приводить примеры этих концепций в
природе
понимать и уметь описывать главные термины, уникальные экологические
условия, которые главенствуют в жизни Циркумполярного мира
описывать и объяснять энергетические циклы, и то, как собирается,
сохраняется и распределяется энергия для жизни растений и животных
определять и объяснять значение жидкой воды для выживания растений и
животных
называть и объяснять некоторые стратегии выживания, используемые в
Арктике.
Обзор
Флора и фауна северных регионов уникальна. Можно сказать, что главными
факторами, вовлеченными в эволюцию биологии циркумполярной экосистемы, являются:
- климат, включая холодные температуры и редкие осадки
-
недостаток энергии в виде солнечного света в течение года
богатая морская фауна на всем протяжении береговой линии
постоянные и непостоянные изменения в северной окружающей среде
относительно короткое время для адаптации и развития флоры и фауны,
после возникновения большей части Циркумполярного Севера в
Ледниковый период.
Модуль позволит студентам кратко ознакомиться с биологическими характеристиками и
процессами в Арктическом регионе и поможет понять значительные факторы, которые
влияют на флору и фауну севера. Данный модуль небольшой, но он дает представление о
содержании последующих курсов BCS, которые Вы решите изучать.
Лекция
Основные понятия
Для того, чтобы понять жизнь в Арктике, нам нужно рассмотреть несколько основных
понятий:
1. Все живое является частью системы и не может существовать самостоятельно вне
этой системы
2. Все живые системы зависят от энергии, которую производит солнце
3. Все живое может процветать только при существовании жидкой воды
4. Арктическая природа сравнительно молодая.
Так как все живое является частью одной большой экосистемы, мы не можем изучать
ее, будучи неуверенными, в ее связях с другими организмами и с такими частями
системы, как солнечная энергия. Например, при изучении волков, необходимо изучить
также и животных, которыми они питаются, т.е. источник их энергии. Также невозможно
изучать их добычу - карибу и леммингов - без того, чтобы не изучить растения, которыми
они питаются. В то же время, у отдельных видов животных и растений есть уникальные
характеристики, присущи только им. Например, ели могут выдержать более низкую
температуру, чем дубы, и возможно, это является главной причиной того, что именно ели,
а не дубы растут на Севере.
(фото)
«НЕ РУБИТЬ ЭТО ДЕРЕВО»
Сохранение некоторых деревьев в северных условиях является предметом для
тщательного изучения во всех странах Циркумполярного мира, благодаря чему можно
изучить изменения в климате в прошлом и настоящем. Граница распространения леса не
является сплошной, а может состоять из единичных деревьев, расположенных вдали друг
от друга, как показано на фото.
Энергия
Жизнеспособность зависит от энергии, которая исходит от солнца. Растения могут
переводить солнечную энергию напрямую в химическую (фотосинтез), которую
впоследствии они хранят в себе, составляя начальную стадию производства энергии. Все
животные, косвенно или напрямую, зависят от солнечной энергии, сохраняемой для них в
растениях. Например, когда карибу ест лишайник и растения, или, когда медведь ест
карибу, питающихся растениями. Таким образом, каждый раз происходит переход
энергии на более высокий уровень системы. Значительная часть энергии теряется из-за её
неэффективного использования вследствие того, что не все на нижних уровнях цепи
съедается, не все переваривается, а часть энергии всегда расходуется на поддержание
тепла в организмах. Лишь 10 процентов энергии переходит на следующий уровень цепи.
Так, в пищевой цепи, волки находятся на уровень выше, чем карибу. Обычно, в наземных
экосистемах пищевые цепи короче: растения – карибу – волки. Переход энергии по
ступеням пищевой цепи представляет особый интерес для ученых, изучающих влияние
органических загрязняющих веществ на экосистемы Севера. Программа мониторинга и
оценки Арктики (AMAP) включает обсуждение того, как эти вещества попадают на Север
из промышленно развитых регионов. Также рассматривается то, как загрязнители
накапливаются в организме животных, питающихся зараженными растениями или
другими животными.
В морских, речных, озерных (морских и пресноводных) экосистемах, растения
небольшие и поедаются мелкими животными, которых в свою очередь являются пищей
для более крупных животных; таким образом, пищевая цепь может иметь больше
ступеней. Проблема органических загрязняющих веществ существует и в водных
экосистемах.
Переход большого количества энергии с одного уровня на другой происходит,
когда организмы или части организмов, например, листья растений, погибают
естественным путем. Их разрушают другие живые организмы, например, грибки или
бактерии. Эти организмы используют много энергии для поддержания своей
жизнедеятельности, но при этом производят в почве и воде важные химические
составляющие, которые зачастую способствуют росту других организмов.
Задание:
Представьте, что у вас на обед у вас бутерброд с ветчиной, томатом и листом
салата. Попробуйте проследить за обратной цепью перехода солнечной энергии в
ингредиенты вашего обеда. Какой ингредиент прошел больше уровней пищевой цепи? Для
интереса, представьте, что томат был выращен на грядке с искусственным
освещением.
В полярных регионах получение энергии – явление сезонное. За Полярным кругом,
в определенный период времени в году нет энергии, поступающей напрямую от Солнца.
Даже когда солнце светит, температуры здесь настолько низкие, что растения не могут
перерабатывать солнечную энергию. Живые организмы должны иметь возможность
использовать энергию, которую растения впитали в теплое время года. Они также могут
снизить свои потребности в энергии путем впадения в зимнюю спячку. Некоторые
животные, например карибу, птицы, морские млекопитающие и рыбы, могут сохранять
энергию путем миграции в места с более теплым климатом, с большим количеством
растений. Многие животные адаптируются к холодному климату, путем сохранение тепла,
благодаря своему меху и шерсти.
Вода
В зимнее время на Севере жизнедеятельность ограничена не только из-за
недостатка энергии. Клетки могут функционировать только при температуре, при которой
вода не превращается в лед.
Многие арктические растения и некоторые животные могут выживать даже в
замороженном состоянии. У некоторых из них, при медленном замерзании, клетки имеют
способность временно находиться в состоянии сна, во время которого их
жизнедеятельность почти или полностью прекращается. Клетки других животных при
замораживании уничтожаются образующимися внутри них кристаллами. Независимо от
того, выживают ли клетки в мороз или нет, они не могут расти, распространяться и
выполнять свои функции до тех пор, пока не поднимется температура.
Стратегии выживания
Жизненный цикл хладнокровных животных (например, лягушек или насекомых), а
также растений может быть прерван из-за недостатка полученной энергии в период роста.
Земноводные могут зарыться на дне озера, чтобы спрятаться от мороза. Если озеро
промерзнет до дна, они могут погибнуть.
Теплокровные животные борются с холодом по-другому: они всегда сохраняют
температуру тела, предотвращающую замерзание. Для Севера это необходимая стратегия,
так как животные тратят большую часть энергии на сохранение тепла в тот период, когда
они получают наименьшее количество энергии. Теплокровные животные борются с
холодом 3 способами: адаптация, зимняя спячка, миграция.
Адаптация – это медленные генетические изменения физиологии флоры и фауны,
которые увеличивают способность растений или животных выжить в условиях холода.
Небольшой рост, волосистость и крепкие корни арктических растений обеспечивают им
выживание в сухих, ветреных местностях, где температура резко падает. У некоторых
арктических животных короткие конечности, что уменьшает потерю тепла. Многие
животные копят подкожный жир. У других животных растет особый мех: у карибу и у
белого медведя мех имеет полый ворс, который удерживает теплый воздух. Рысь, белая
куропатка и лось приспособлены передвигаться по снегу. Лапы рыси и белой куропатки
имеют мех или перья, которые помогают им не проваливаться в снегу. Форма ног лося
позволяют животному поднимать их высоко, преодолевая глубокий снег.
Зимняя спячка – это стратегия выживания некоторых более мелких арктических и
субарктических теплокровных животных. Как уже отмечалось выше, животным
необходима энергия для поддержания жизнедеятельности. Они получают энергию от
потребления растений или более мелких животных. Зимой, при недостатке пищи и
холоде, животным необходимо больше энергии для поддержания тепла. Спячка позволяет
животным уменьшить температуру тела на 30 градусов или сократить обмен веществ на
95 процентов. Выделение тепла и дыхание сокращаются. Например, температура тела во
время зимней спячки у бурундуков составляет -3 градуса, в то время как у других
животных около пяти. Медведи впадают в спячку зимой, что нехарактерно для
бурундуков. Температура тела медведя падает лишь на 3-5 градусов. Они могут
переворачиваться, и, даже, кормить детенышей, что невозможно при глубокой спячке.
Миграция – стратегия выживания, используемая многими видами животных от
океанических зоопланктонов до рыб, тюленей, китов, птиц и земных млекопитающих,
таких как карибу. Миграция позволяет животным находить лучшие места для питания и
выживания. Во время миграции животные теряют много энергии ( при полете теряется
наименьшее количество, плавание требует больше энергии чем перелет, но меньше чем
наземная миграция).
Короткий вегетационный период и низкие температуры не позволяют многим
видам растений и животных колонизировать Арктику полностью. В большинстве
арктических экосистем существует мало видов растений и животных, чем в экосистемах
умеренного и тропического климата. Но, в то же время, количество представителей этих
видов больше, чем в южных экосистемах. Таким образом, арктические экосистемы
теоретически менее сложны и ученые зачастую изучают их для тог, чтобы применить
полученные знания на практике в других экосистемах.
Теперь мы узнали, что в Арктике существует сравнительно малое количество видов
флоры и фауны, что является следствием трудностей, связанных с большими сезонными
колебаниями температур и другими явлениями, такими как, например, большие
изменения популяций различных, связанных между собой организмов (см. пример на рис.
5, где показаны циклические изменения популяций хищников и жертв). Избыток
популяций жертв приводит к росту популяции хищников, что, в свою очередь, приводит к
сокращению количества жертв. Недостаток пищи вновь приводит к сокращению
популяций хищников, что приводит к росту количества популяций жертв и т.д.
Морская среда
Морские и пресноводные растения и животные не сталкиваются с проблемами
больших изменений температур. Во многих морских экосистемах зимой и летом
сохраняется относительно постоянная температура, которая чуть выше температуру
замерзания. Но морским организмам приходится бороться с длительными периодами
слабого освещения, в особенности, когда море покрыто толстым слоем льда. У морских
животных, дышащих кислородом, например, китов, тюленей и моржей, должна быть
возможность добраться до поверхности воды для дыхания. Другим организмам
приходится сталкиваться с низким уровнем кислорода в зимних водах, когда из-за
темноты в растениях не происходит процесс фотосинтеза, и они производят мало
кислорода.
Некоторые морские животные мигрируют в более богатые пищей места. Другие
остаются на Севере и живут в местах, где поверхность воды не покрывается льдом
круглый год из-за теплых течений, приливов и других природных явлений. Примерами
таких мест являются полыньи.
Задание
Изучите и опишите морские экосистемы Северного ледовитого океана,
расположенные к северу от вашего места жительства. Какие млекопитающие, рыбы и
ракообразные живут там и каким образом они переживают зимние периоды.
Изменение окружающей среды
Необходимо знать, что, с точки зрения геологического времени, современные
арктические экосистемы существует относительно недолго. 55 миллионов лет назад на
месте Арктики росли тропические леса. Всего лишь несколько миллионов лет назад леса
умеренного пояса росли на берегах Северного ледовитого океана. Такие животные, как
карибу, возможно появились в высокогорных системах в регионах с умеренным
климатом, затем распространились в Арктике вслед за тающим ледовым щитом. Также
необходимо знать, что Ледниковые периоды (см. Таблицу 1), в течение последних
миллионов лет, неоднократно заставляли животных и растения перемещаться за пределы
огромных арктических территорий, а затем возвращаться при временном таянии льдов.
Таким образом, арктические экосистемы претерпевали постоянные изменения и были
местом коренных изменений в течение нескольких миллионов лет своего существования.
Одним из результатов этого стало то, что многие представители арктической экосистемы
вымерли. Всего несколько тысячелетий назад тундра была местом обитания мамонтов,
шерстистых бизонов, лошадей и даже носорогов. Можно утверждать, что арктические
экосистемы все еще оправляются от потери многих видов животных и растений, а новые
виды все еще переселяются из регионов с умеренным климатом.
Задание
Изучите какие крупные виды млекопитающих вымерли в вашем регионе в
последние 10000 лет. Есть ли в вашем регионе «новые» виды (рыб, птиц, млекопитающих
или насекомых), которые прижились в последние 20 лет? Если есть, укажите почему.
Распространение биомов тайги и тундры в настоящее время
В настоящее время биомы тайги и тундры распространены только в циркумполярном
регионе. Арктическая флора насчитывает в общем 900 видов. Многие из них существуют
лишь на определенных территориях и не являются циркумполярными, и многие
распространены далеко к югу в высокогорных регионах. В биолого-географических
значениях, Арктика относится к единому флористическому региону.
Многие ученые-ботаники, в особенности российские, делят циркумполярный Север
на определенные фитогеографические регионы, основанные на единообразие флоры (см.
Рис. 8 Границы арктических геоботанических регионов).
We saw in Module 2 that the terrestrial North is divided into two main bio-regions, the
treeless tundra and the boreal forest, or taiga. Many Arctic ecologists prefer to think of the
northern regions as composed of a series of zones, starting with the thick forest of the southern
taiga and extending to the extreme High Arctic, or Polar Desert in the northernmost lands around
and in the Arctic Ocean.
Из модуля 2 видно, что материковую Арктику часто делят на два биорегиона:
безлесую тундру и бореальные леса, или тайгу. Многие экологи предпочитают считать,
что северные регионы состоят из нескольких зон, начиная с густых лесов южного пояса
тайги, заканчивая высокой Арктикой, или полярной пустыней на самом севере у
Северного ледовитого океана.
Задание
Опишите флористический биом вашего региона. Укажите основные виды
растений.
Белый медведь как индикатор здоровья арктической экосистемы
Для многих людей, интересующихся Циркумполярным миром, популяции белых
медведей стали индикаторами здоровья окружающей среды. Из-за того, что белые
медведи находятся на вершине сложной пищевой цепи, загрязнители окружающей среды
имеют тенденцию к биоаккумуляции в организме этих животных, делая их
чувствительными даже к очень низким уровням химических токсинов.
Изменения в популяции белых медведей или отклонения от норм поведения внутри
популяции считаются признаками изменений на нижних ступенях пищевой цепи.
Несмотря на то, что популяции белых медведей могут быть хорошим индикатором
здоровья окружающей среды, опасно полагаться только на этот фактор. Белые медведи
очень хорошо приспосабливаются к меняющимся условиям, и это качество может
скрывать проблемы, существующие во всей экосистеме.
Контрольные вопросы:
1. Перечислите и опишите четыре основные концепции, которые описывают
понимание жизни в Арктике, приведите примеры этих концепций в природе
2. Кратко опишите уникальные условия окружающей среды, которые управляют
жизнью в Циркумполярном мире
3. Опишите энергетический круг, объясните, как собирается, сохраняется и
распределяется энергия между растениями и животными
4. Определите и объясните значение воды для жизни растений и животных
5. Перечислите и опишите некоторые стратегии выживания, используемые
животными Севера
Словарь терминов
Биоаккумуляция: накопление органических компонентов в жировых тканях организмов.
Биоаккумуляция токсинов и других органических загрязнителей в добыче резко
увеличивается по мере продвижение по пищевой цепи.
Потенциальная ёмкость экосистемы: максимальное количество живых организмов,
которое может поддерживаться ресурсами экосистемы.
Фауна: животный мир. Существуют понятия мегафауны (крупные животные) и
микрофауны (мелкие животные)
Флора: растительный мир, бактериальные и другие микроскопические формы жизни
Пищевая цепь: Иерархия организмов, в которой каждый питается тем, кто ниже и
является добычей тех, кто выше.
Зимняя спячка: Стратегия выживания, используемая животными, включая многих
насекомых. В период спячки животное проводит долгий отрезок времени в защищенном
месте, обычно в течение зимы в состоянии сна. Оно живет за счет жира и энергии,
накопленной во время активного периода года.
Гомотермический: Организмы, зависящие от внутреннего производства тепла,
называются гомотермическими, или теплокровными. Гомотермическими являются
млекопитающие и птицы.
Миграция: Стратегия выживания, заключающаяся в перемещении из одной территории
на другую на какое-то время, затем возвращение обратно. Миграции присущи морским и
земным животным: птицам, рыбам и некоторым насекомым. Миграции обычно бывают
сезонными и подразумевают собой перемещение на территории с большим количеством
пищи или более теплым климатом. Человеческие миграции – более или менее постоянные
переселения групп людей из одного места в другое.
Многолетние растения: Растения, живущие более года, например, деревья или
кустарники.
Фотосинтез: Процесс, в котором энергия солнечного света используется зелеными
растениями для синтеза энергии в углеводы из углекислого газа и воды. Результатом
фотосинтеза является кислород.
Покилотермический: Организмы зависящие не от внутреннего производства тепла, а
наоборот, от внешних ресурсов называются покилотермическими, или холоднокровными.
Холоднокровными являются рыбы, насекомые и рептилии.
Полынья: зоны пакового льда свободные от льда
Трофический: пищевой
Трофический уровень: уровень в пищевой цепи. Трофический уровень организмов
соотносится с их позицией в пищевой цепи. Организмы, которые превращают солнечную
энергию и неорганические компонентв в органические являются автотрофами и
расположены в основе пищевой цепи. Организмы питающиеся автотрофами называются
травоядные или первичными потребителями. Организмы, питающиеся травоядными и
платоядными являются вторичными потребителями и находятся выше уровнем.
Плотоядные которые питаются другими плотоядными являются третичными
потребителями и т.д. Всеядные организмы (такие как человек) едят как животных, так и
растений.