Сообщества и окружающая среда (синэкология)
advertisement
Урок экологии Что изучает синэкология… Начать Синэкология (от греч. syn – вместе) – раздел экологии, изучающий ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов (биоценозы), пути их формирования и их взаимодействие с окружающей средой. В отдельное научное направление синэкология выделена на Международном ботаническом конгрессе 1910 г. Термин «синэкология» предложил швейцарский ботаник К. Шретер (1902 г.). Основные понятия синэкологии Карл Август Мебиус – немецкий зоолог и гидробиолог. Основные научные исследования посвящены биологии и экологии морской фауны. В природе популяции разных видов объединяются в макросистемы более высокого ранга – так называемые сообщества, или биоценозы. Биоценоз (от греч bios – жизнь, koinos – общий) – это совокупность популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К.Мебиусом (1825– 1908), который, изучая устричные банки , пришел к выводу, что каждая из них представляет собой сообщество живых существ, все члены которого находятся в тесной взаимосвязи. Основные понятия синэкологии В 1935 г. А.Тенсли предложил понятие «экосистема» для любой совокупности организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества. Он считал экосистемы «основными природными единицами на поверхности Земли», в которые входит «не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих среду». Таким образом, экосистема – это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды, функционирующая как единое целое за счет обмена веществом, энергией и информацией. Основные понятия синэкологии Пространство с более или менее однородными условиями, заселенное тем или иным сообществом организмов (биоценозом), называется биотопом (от греч. topos – место). Если определить биотоп как место существования биоценоза, то биоценоз можно рассматривать как исторически сложившийся комплекс организмов, характерный для данного, конкретного биотопа. Любой биоценоз образует с биотопом целостность, единство, биологическую систему еще более высокого ранга – биогеоценоз. Термин «биогеоценоз» предложил в 1940 г. В.Н. Сукачев. Основные понятия синэкологии По определению В.Н. Сукачева (1880–1967), биогеоценоз – «это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою, особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии». Владимир Николаевич Сукачев – известный ботаник, лесовод и географ. Основные работы посвящены изучению растительности различных районов страны. Основоположник биогеоценологии Структура экосистемы (биогеоценоза) Содержание термина «биогеоценоз» в значительно большей степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается прежде всего ее функциональная сущность. Обязательным компонентом биогеоценоза является фитоценоз, или растительное сообщество. В то же время экосистема может быть и без растительного сообщества, а также и без почвы (например, труп животного, ствол дерева в стадиях разложения и населенности различными организмами). Экосистема и информация Организм получает из окружающей среды информацию в виде определенных сигналов, имеющих материальную природу, и соответственно реагирует на них. Основоположник кибернетики (науки управления) Норберт Винер определил информацию следующим образом: «Информация – это обозначение содержания (сигналов), полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления наших чувств». Что же такое информация? В информации, полученной исследователями в результате изучения каких-либо процессов и явлений, находят отражение особенности их организации. Таким образом, организация является источником информации. Организмы получают из неорганической среды информацию об особенностях химических элементов и соединений и об их распределении. Неорганическая среда получает информацию от живых организмов о продуктах их метаболизма (обмена веществ). Живые существа также обмениваются между собой информацией: это могут быть сигналы об опасности, наличии пищи, обращение к половому партнеру, агрессия (предупреждение сопернику) и т. д. Информационные связи в природе ограничены в пространстве и во времени. Информационная ценность предмета или явления зависит не от количества заключенной в нем информации (оно бесконечно!), а от того, кто или что этой информацией пользуется. Классификация живых организмов по способу питания По способу питания все организмы подразделяются на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы (от греч. autos – сам) – осуществляют превращение неорганических веществ в органические (зеленые растения и некоторые микроорганизмы). Гетеротрофы (от греч. heteros – разный) – используют для питания готовые органические вещества (паразитные высшие растения, грибы, некоторые микроорганизмы, все животные и человек). Существуют организмы и со смешанным типом питания, которые П. Пфеффер назвал миксотрофами (от англ. mix – смешивать). Классификация живых организмов по механизму превращения энергии По механизму превращения неорганических веществ в органические среди автотрофов можно выделить фототрофы и хемотрофы. Фототрофы осуществляют образование органических веществ в процессе фотосинтеза (зеленые растения, синезеленые водоросли и др.). Хемотрофы создают органические вещества за счет энергии химических реакций (серные бактерии и др). Классификация живых организмов по отношению к пищевым связям По отношению к трофическим (пищевым) связям организмы экосистемы подразделяются на продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты (производители первичной продукции) – организмыавтотрофы, производящие органическое вещество из неорганических соединений – они представляют комплекс зеленых растений, обеспечивающих органическим веществом все живое население нашей планеты. Консументы (от лат. consumo – потребляю) – организмыгетеротрофы, потребляющие органические вещества, созданные продуцентами. К ним относятся животные, большинство микроорганизмов, частично насекомоядные растения. Редуценты (от лат. reductio – возвращение) – организмы, разлагающие органические вещества и превращающие их в неорганические вещества, усваиваемые другими организмами. К редуцентам относятся: бактерии, грибы, сапрофаги, копрофаги, некрофаги и др. Они являются завершающим звеном биологического круговорота веществ. Основные понятия синэкологии Экосистема представляет собой любое непрерывно меняющееся единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с окружающей средой таким образом, что поток вещества и энергии создает определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы. Экосистема пруда: абиотический компонент Термин «экосистема» применим к биоценозам и биотопам самого различного размера, например, ствол погибшего дерева, лес или пруд, океан. Все это естественные экосистемы. В качестве примера естественной, сравнительно простой экосистемы рассмотрим экосистему небольшого пруда. Экосистему пруда можно представить в виде двух основных компонентов. Абиотический компонент. Это основные органические и неорганические соединения – вода, углекислый газ, кислород, соли кальция, соли азотной и фосфорной кислот, аминокислоты, гуминовые кислоты, а также температура воздуха и воды и ее перепады в разное время года, плотность воды, давление и др. Экосистема пруда: биотический компонент Биотический компонент. Продуценты. В пруду они представлены в виде крупных растений, обычно обитающих только на мелководье, мелких плавающих растений (водорослей), называемых фитопланктоном, и наконец, донной флоры – фитобентоса, также представленной в основном водорослями. При изобилии фитопланктона вода приобретает зеленоватый цвет. Консументы. К этой группе относятся животные (личинки насекомых, ракообразные, рыбы). Первичные консументы (растительноядные) питаются непосредственно живыми растениями или растительными остатками. Они подразделяются на два типа: зоопланктон и зообентос. Вторичные консументы (плотоядные), такие, как хищные насекомые и хищные рыбы, питаются первичными консументами или друг другом. Сапротрофы. Водные бактерии, жгутиковые и грибы распространены в пруду повсеместно, но особенно они обильны на дне, на границе между водой и илом, где накапливаются мертвые растения и животные. Лабораторные экосистемы Естественные экосистемы достаточно сложны, и изучать их с помощью традиционного научного приема «опыта и контроля» очень трудно. Поэтому ученые-экологи используют лабораторные искусственные микроэкосистемы, моделирующие процессы, протекающие в естественных условиях. Кибернетическая природа экосистемы Экосистемы характеризуются потоками энергии и круговоротом веществ, а также развитыми информационными сетями, связывающими все части системы и управляющими ею как единым целым. Поэтому можно сказать, что экосистемы имеют кибернетическую (от греч. kibernetike – искусство управления) природу. Степень достигаемой стабильности экосистемы зависит как от степени воздействия окружающей среды, так и от эффективности внутренних управляющих механизмов. Принцип Ле Шателье–Брауна Способность системы быстро восстанавливать свое состояние после прекращения внешних воздействий определяется влиянием отрицательной обратной связи. Если положительная обратная связь усиливает отклонение системы от состояния равновесия, то отрицательная обратная связь – его уменьшает. Данная зависимость проявляется в принципе Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Гомеостаз экосистемы Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию называется гомеостазом. В основе гомеостаза лежит принцип отрицательной обратной связи. Благодаря именно этой связи регулируются процессы запасания и высвобождения питательных веществ, продуцирования и разложения органических соединений. Поддержание гомеостаза экосистемы возможно лишь в определенных пределах. Вне сферы действия отрицательной обратной связи вступает в силу положительная обратная связь. Динамика экосистемы Любая экосистема динамична, в ней постоянно происходят изменения в состоянии ее основных компонентов и соотношении популяций. Одной из характерных особенностей экосистем (биогеоценозов) является их суточная, сезонная и многолетняя динамика. Суточная динамика; Суточные преобразования в экосистемах обычно выражены тем сильнее, чем значительнее разница температур, влажности и других факторов среды днем и ночью. Сезонная динамика; Она выражается в изменении не только состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов в зависимости от циклов их размножения, сезонных миграций и др. Многолетняя динамика. Она зависит от изменений по годам метеорологических (климатических) условий и других внешних факторов, действующих на сообщество. Что называется сукцессией? Смена одних биоценозов другими на определенном участке земной поверхности за некоторый период времени называется сукцессией (от лат. succesio – преемственность, наследование, последовательность, смена). Термин «сукцессия» предложен Г. Каулсоном в 1898 г. Завершающее сообщество – устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии со средой – называется климаксным. Климакс (от греч. klimax – лестница) – стабильное, конечное состояние развития экосистемы в условиях данной среды. Термин «климакс» введен Ф. Клементсом в 1916 году. Еще в 1935 г. известный биолог Эрвин Бауэр писал: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и за счет своей свободной энергии постоянно исполняют работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях... Мы обозначим этот принцип как принцип устойчивого неравновесия живых систем». Этот принцип показывает, что живые организмы представляют собой открытые неравновесные системы, которые отличаются от неживых тем, что эволюционируют (развиваются) в сторону понижения энтропии. Понятие пищевой цепи Пищевой цепью называется перенос энергии, заключенной в растительной пище, через ряд организмов в процессе их поедания друг другом. Организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню (от греч. trophe – питание, пища), т.е. это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Зеленые растения (автотрофы) занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, – третий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов). Виды пищевых цепей Различают два типа пищевых цепей: пастбищная и детритная. Пастбищная цепь (цепь выедания) – может рассматриваться как процесс синтеза и трансформации органического вещества, например, зеленое растение→растительноядное животное → хищник. Детритная цепь (цепь разложения) – представляет собой процесс поэтапной деструкции и минерализации органических веществ, например: Микроорганизмы (бактерии, грибы) Мертвое органическое вещество (детрит) Детритофаги (двухстворчатые моллюски, коловратки, дождевые черви, личинки насекомых и др.) Хищники детритофагов (птицы, землеройки и др.) Продуктивность экосистемы Важным свойством организмов, их популяций и экосистем в целом является их способность к созданию (продуцированию) органического вещества, которое называют продукцией. Все живое вещество, которое содержится в экосистеме или ее элементах вне зависимости от того, за какой период оно образовалось и накопилось, называется биомассой. Обычно биомасса и продукция выражаются через абсолютно сухой вес. Это важный параметр, так как им определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать в экосистеме. Как вам известно, из 100% солнечной энергии лишь приблизительно 1% поглощается хлорофиллом и используется для синтеза органических молекул (остальные 99% солнечной энергии отражаются, поглощаются с переходом в тепло или расходуются на испарение воды). Продуктивность экосистемы Скорость создания органического вещества в экосистемах называется биологической продуктивностью. Продуктивность выражается количеством биомассы, синтезируемой за единицу времени (час, сутки, год) на единице площади (квадратные метры, гектар) или в единице объема (для водных экосистем: литры, кубические метры). Продуктивность может быть выражена энергетическим эквивалентом биомассы. Общая сумма биомассы, созданной автотрофами, определяется как валовая первичная продукция (ВПП). Примерно 20% энергии, заключенной в ней, расходуется растениями на «дыхание». Трофическая структура экосистемы В результате взаимодействия в пищевых цепях при переносе энергии каждое сообщество приобретает определенную трофическую структуру. В общем случае трофическую структуру можно определить количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени на последовательных трофических уровнях, и изобразить графически в виде экологических пирамид, основанием которых служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Данное явление было изучено Ч. Элтоном в 1927 г. Экологические пирамиды Различают три основных типа экологических пирамид. Пирамида чисел (число особей/м2) отражает численность организмов на разных трофических уровнях. В случае пастбищных пищевых цепей леса, когда продуцентом служит дерево, а первичными консументами – насекомые, уровень первичных консументов численно богаче особями уровня продуцентов. В этом случае пирамиду чисел называют обращенной. Пирамида биомасс характеризует общую сухую массу органического вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органических веществ г/м2). Пирамида энергий (Дж/м2год) показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях. Энергетическая пирамида всегда сужается кверху при условии, что учтены все источники энергии, поступающей в систему с пищей. Проблема стабильности экосистем Важнейшей особенностью любой естественной экосистемы (биогеоценоза) является ее способность к саморегулированию, т.е. к поддержанию основных параметров во времени и пространстве на определенном уровне. Способность экосистем сохранять свою структуру и функции при воздействии внешних факторов называется стабильностью экосистем. Следует различать понятия «стабильность экосистемы» и «устойчивость экосистемы». Под устойчивостью понимают способность экосистемы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после воздействия факторов, выводящих ее из равновесия. Относительную стабильность экосистем обеспечивает устойчивый круговорот веществ и поток энергии. Проблема стабильности экосистем С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. «Если дикая природа отступает, – писал Ч. Элтон, – мы должны научиться передавать часть ее стойкости и богатства ландшафтам тех земель, с которых мы снимаем наши урожаи». Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении как можно более многообразных заповедных, не подвергающихся усиленному антропогенному воздействию, участков разного масштаба. Проблема стабильности экосистем Правило 1%: Изменение энергетики природной экосистемы в среднем на 1% (от 0,3 до 1%) выводит систему из состояния равновесия. Оценки В. Г. Горшкова свидетельствуют о том, что устойчивое существование глобальной экосистемы – биосферы возможно, если доля потребления чистой первичной продукции (на уровне консументов высших порядков) не превосходит 1%. Дополнительные материалы Дополнительная информация на сайте: http://www.eko_prakt.ru Выход
