МОДУЛЬ 2.
advertisement
МОДУЛЬ 2. Цели модуля Осознать роль биоразнообразия в окружающей природной среде Определить биоразнообразие как важнейший природный ресурс для выживания человека Понимать и объяснять взаимосвязь человека (как биологического существа) с природными сообществами и окружающим миром в целом Темы модуля Организмы. Взаимодействие организмов и среды. Популяции. Сообщества Лимитирующие факторы. Ресурсы живых существ как экологические факторы Биотические сообщества Экологические системы Рекомендуемые процедуры оценки письменный тест, защита презентаций, составление кроссворда Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться Леонардо да Винчи Уровни биологической организации Гены - Клетки - Органы - Организмы - Популяции - Сообщества Биотические компоненты + Абиотические компоненты ВЕЩЕСТВО ЭНЕРГИЯ = Биосистемы Генетичес Клеточные кие системы системы Системы органов Системы организмов Популяционные Экосистемы системы Экология изучает уровни биологической организации от организмов до экосистем Организм – живая целостная система Организм – любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: - клеточная организация; - обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающих гомеостаз организма Живым организмам присуще: движение, раздражимость, наследственность, адаптация к условиям существования Гомеостаз – самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды Уровни биологической организации жизни отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являются подсистемами более крупных систем Свойства каждого отдельного уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Но объяснить это можно лишь частично на основе данных о свойствах предшествующего уровня. Такое явление называют эмерджентностью Эмерджентность – наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам Высший уровень организации биологических систем – это уровень популяций и их взаимоотношений с окружающей средой, физической и биологической любая, способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида (М.С. Гиляров, 1990 г.) Схема биогеоценоза по Г.А. Новикову (1979) Б И О Г Е О Ц Е Н О З Б И О Т О П Микроклимат Почва, грунт Рельеф Воды Антропогенный фактор Растительность Животный мир Б И О Ц Е Н О З Микроорганизмы Биоценоз пруда Биоценоз дубравы Экосистема – совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения, то есть факторов местообитания в широком смысле (А. Тенсли, 1935 г.) Экосистемы по размерам можно разделить на: микроэкосистемы (экосистема гниющего пня или дерева в лесу, прибрежные заросли водных растений), мезоэкосистемы (болото, сосновый лес), макроэкосистемы f океан, море, пустыня,) Биогеоценоз — это совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, почвы и атмосферы на однородном участке суши, которые объединены обменом веществ и энергии в единый природный комплекс Все организмы делятся на две большие группы Автотрофы (самопитающиеся) используют неорганические источники для своего существования. Создают органическую материю из неорганической (фотосинтезирующие зеленые растения, синезеленые водоросли, некоторые бактерии) Гетеротрофы (питающиеся другими) потребляют только готовые органические вещества (все животные, человек, грибы). Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей (паразитами) Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические взаимодействия, тем самым, выполняя важнейшие экологические функции в биологических сообществах Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют ее в неорганическую форму Продуценты – производители продукции (наземные зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли) Консументы – потребители органического вещества травоядные всеядные плотоядные, хищники Редуценты (деструкторы) – восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, СО2, Н2О, N2О) Необходимые компоненты экосистемы Поток энергии в экосистеме Солнечная энергия Травоядные животные Растения (продуценты) Плотоядные животные редуценты Система организмов и биота Земли В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн. видов организмов. Издавна органический мир делится на два царства: животные и растения. В наше время его уже следует делить на две империи: доклеточные (вирусы, фаги) и клеточные (все остальные организмы). Высшие таксоны систематики империи клеточных организмов Надцарства Царства Подцарства А. Доядерные организмы Дробянок 1.Бактерии 2. Сине-зеленые водоросли В. Ядерные организмы I.Животные II. Грибы III. Растения 1. Одноклеточные животные (простейшие) 2. Многоклеточные животные 1. Низшие грибы 2. Высшие грибы 1. Багрянки 2. Настоящие водоросли 3. Высшие растения Все организмы делятся на следующие группы: ПРОКАРИОТЫ – являются древнейшими организмами. В настоящее время их более 5000 видов. Например, паразитирующие бактерии. Их размеры от десятых долей до 2-3-х микрометров АЭРОБНЫЕ (Аэро́бы (от греч. αηρ — воздух и βιοζ — жизнь) — организмы, которые нуждаются в свободном молекулярном кислороде для процессов синтеза энергии, в отличие от анаэробов. К аэробам относятся: подавляющее большинство животных, все растения, а также значительная часть микроорганизмов) АНАЭРОБНЫЕ (Анаэробы — обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня: грибы, водоросли, растения и некоторые животные, ленточные черви, круглые черви) формы Эукариоты – все остальные организмы Земли. Взаимодействие организма и среды. Понятие о среде обитания и экологических факторах Среда обитания организма – это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, что выжить, приспосабливается к этим изменениям. Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная , почвенная вместе с горными породами поверхностной части литосферы наземно-воздушная Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм Абиотические факторы Природная среда температура свет вода температура + влажность Физические и химические факторы биогенные вещества атмосферные газы течения и ветры пожары почвы экологические факторы почв Эдафические факторы Биотические факторы Факторы взаимодействия между особями одного и того же вида Групповой и массовый эффекты Внутривидовая конкуренция нейтрализм Межвидовая конкуренция Факторы взаимодействия между особями различных видов мутуализм симбиоз комменсализм аменсализм паразитизм хищничество Биотические связи В основе существования биоценозов лежат взаимодействия организмов между собой. Хищничество Взаимодействия чрезвычайно разнообразны, но поддаются классификации: 0 0 Нейтрализм 0 - Аменсализм - - Конкуренция - + Хищничество 0 + Комменсализм + + Мутуализм Комменсализм Конкуренция Мутуализм Адаптация – приспособление организмов к среде. Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций и их органов) Основные представления об адаптации организмов Адаптация развивается под воздействием трех основных факторов изменчивости, наследственности и естественного отбора Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам Первичные факторы – это те факторы, которые существовали на Земле до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений В нормальных условиях в месте обитания должны действовать только периодические факторы, непериодические – отсутствовать. Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически: могут вызвать болезни или даже смерть живого организма П О П УЛ Я Ц И И любая, способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида (М.С. Гиляров, 1990 г.) Популяция – именно та «ячейка» биоты – которая является основой ее существования; в ней происходит самовоспроизводство живого вещества, она обеспечивает выживание вида благодаря наследственности адапционных качеств; она дает начало новым популяциям и процессам видообразования, то есть популяция является элементарной единицей эволюционного процесса Выделяют две группы количественных показателей: Статические: Динамические: характеризуют состояние популяции на данный момент времени характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) времени С Т А Т И Ч Е С К И Е I. Численность – это поголовье животных или растений, например, деревьев, в пределах некоторой пространственной (хорологической) единицы – ареала, бассейна реки, области, района II. Плотность – число особей, приходящихся на единицу площади, например, плотность населения – количество человек, приходящихся на 1 км2 или для гидробионтов (жителей водной среды) – это количество особей на единицу объема, на 1 м3 или 1 л. III. Показатели структуры: - половой – соотношение полов; - размерный – соотношение количества особей разных размеров; - возрастной – соотношение количества особей различного возраста в популяции. Численность тех или иных животных определяется различными методами. Например, подсчетом с самолета или вертолета при облетах территории. В Башкирии приступили к ежегодному подсчёту численности диких животных в лесах, степях и горах. На утверждённых маршрутах специалистами подсчитываются следы охотничьих зверей и проводится визуальный учёт птиц. Анализ материалов позволит проследить состояние и численность диких видов животных. После учета эксперты спланируют мероприятия по охране, контролю и рациональному использованию ресурсов животного мира Сотрудники природного заказника "Долина реки Сетунь" ежедневно совершают обход территории. Звери со столичной пропиской, как и люди, переписчиков не жалуют, поэтому главный поставщик информации - снег. Точнее, следы на нем. Натуралисты находят отпечатки лап, сверяют их с картинками в справочнике - и им становится ясно, кто именно здесь пробегал. Для опытных переписчиков трех недель достаточно для того, чтобы вот таким способом подсчитать всех вольных белок, зайцев и лисиц города Москвы. В Саяно-Шушенском заповеднике зарегистрированы новые особи снежного барса. Недавно с помощью фотоловушки, установленной на территории СаяноШушенского заповедника, получен снимок новой особи снежного барса. На нём запечатлён самец ирбиса, который ранее не регистрировался в данной местности. Численность гидробионтов определяется путем отлавливания их сетями (рыбы), для микроскопический (фитопланктон, зоопланктон) применяют специальные мерные емкости. Данные о численности акул собирают с использованием метода «буксируемого погружения», когда небольшая лодка буксирует пару аквалангистов, находящихся под водой. По мнению ученых, такая методика позволяет наиболее точно пересчитать подвижных рифовых акул на обширных площадях. Наиболее быстрый, но менее достоверный способ - визуально с самолёта, который совершает полёты по определённой сетке маршрутов. Учётчики смотрят в иллюминатор и отмечают каждое замеченное логовище или производят аэрофотоснимки маршрутов и по ним учитывают логовища. А затем уже ведут их пересчет с единицы площади на всю акваторию озера. Второй способ — закладка по Байкалу около 100 учётных площадок 1,5*1,5 км каждая. Их объезжают на мотоцикле или обходят пешком по льду и подсчитывают все логовища, которые встречаются на площадках. Затем ведётся пересчёт на всю акваторию озера. Третий способ – маршрутный. На двух или трёх мотоциклах группа учётчиков совершает маршруты поперёк Байкала на определённом расстоянии друг от друга, достаточном для того, чтобы видеть с мотоцикла все встречающиеся логовища. В последние годы применяется наиболее точный — площадный — учёт нерпы. Новая технология подсчета популяции пингвинов: достаточно сфотографировать Антарктиду из космоса и потом обработать фотографии. Обработка в основном сводилась к увеличению резкости, чтобы птиц можно было отличить от теней и от их собственных экскрементов, которых накопилось столько, что они тоже попали на полученные со спутника фотографии. Численность человеческой популяции определяют путем переписи населения всего государства, его административных подразделений. Знание численности и структуры (этнической, профессиональной, возрастной, половой и т.д.) населения имеет большое экономическое и экологическое значение. По данным Всероссийской переписи населения, проведенной по состоянию на 14 октября 2010 года, численность постоянного населения Российской Федерации составила 142,9 млн. человек. Российская Федерация занимает восьмое место в мире по численности населения после Китая (1335 млн. человек), Индии (1210 млн. человек), США (309 млн. человек), Индонезии (238 млн. человек), Бразилии (191 млн. человек), Пакистана (165 млн. человек) и Бангладеш (147 млн. человек). По сравнению с переписью населения 2002 г. численность населения уменьшилась на 2,3 млн. человек, в том числе в городских населенных пунктах – на 1,1 млн. человек, в сельской местности – на 1,2 млн. человек. Плотность популяции определяется без учета неравномерности распространения особей на площади или в объеме, то есть получаем среднюю плотность животных, деревьев, людского населения на единицу площади или микроскопических водорослей на единицу объема Возрастно-половой состав По данным переписи населения 2010 г. численность женщин превышает численность мужчин на 10,8 млн. человек. В 2002 г. это превышение составляло 10,0 млн. человек. На 1000 мужчин в 2010 г. приходилось 1163 женщины, в 2002 г.– 1147. По данным переписи 2010 г. преобладание численности женщин над численностью мужчин отмечается с 30-летнего возраста (в 2002 г. – с 33-летнего возраста). Заметные изменения произошли в возрастном составе населения. По итогам Всероссийской переписи населения 2010 года средний возраст жителей страны составил 39 лет (в 2002 г. – 37,7 лет). Млн. человек 2010 г. в % Доля мужчин в к 2002 г. общей численности мужчины женщины Муж- Женнаселения, % чины щины 2002 г. 2010 г. 2002 г. 2010 г. 2002 г. 2010 г. Все население 67,6 66,1 77,6 76,8 97,7 99,0 46,6 46,2 Городское население Сельское население 49,1 48,1 57,3 57,2 97,9 99,9 46,2 45,7 18,5 18,0 20,3 19,6 97,1 96,7 47,6 47,8 Д И Н А М И Ч Е С К И Е Рождаемость или скорость рождаемости – это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени Смертность или скорость смертности – это число особей, погибших в популяции за единицу времени Скорость иммиграции и эмиграции – это есть соответственно количество особей, прибывших или убывших в популяции в единицу времени Физиологическая – это такая продолжительность жизни, которая определяется только физиологическими возможностями организма. Теоретически она возможна, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие факторы Продолжительность жизни Максимальная – это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды Смертность и рождаемость у организмов весьма существенно изменяется с возрастом. Только увязав смертность и рождаемость с возрастной структурой популяции, удается вскрыть механизмы общей смертности и определить структуру продолжительности жизни. Такую информацию можно получить с помощью таблиц выживания. Таблицы выживания (демографические таблицы) – содержат сведения о характере распределения смертности по возрастам. Возрастная группа Количество человек в каждой группе Число умерших в группе Смертность в расчете на 1000 чел. Данные таблиц выживания позволяют построить кривые выживания, в них отражается зависимость количества доживших до определенного возраста особей от продолжительности этого интервала с самого момента рождения организмов. Выделяют три основных кривых выживания, к которым в той или иной мере приближаются все известные кривые Число выживающих особей Дрозофила I Человек Диагональная (рыбы, птицы, растения) II Устрица III время Кривая I типа, когда на протяжении всей жизни смертность ничтожно мала, резко возрастая в конце ее, характерна для насекомых, которые обычно гибнут после кладки яиц Кривая III типа – это случаи массовой гибели особей в начальный период жизни Кривая II типа (диагональная) характерна для видов, у которых смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни. Такое распределение смертности не столь уж редкое явление среди организмов Динамика роста численности популяции Закономерность роста численности в геометрической прогрессии выражается кривой N 60 50 40 30 20 10 0 N t N o e rt ln 8 16 24 Время, ч Nt – численность популяции в момент времени t, N0 – численность популяции в начальной момент времени t0, e – основание натурального логарифма (≈ 2,7), r – показатель, характеризующий темп размножения особей в данной популяции Таким образом, экспоненциальный рост численности популяции – это рост численности ее особей в не изменяющихся условиях В природе происходит так: экспоненциальный рост наблюдается какое-то достаточно короткое время, после чего ограничивающие факторы его стабилизируют и дальнейшее развитие популяции идет по логистической модели, что и описывается S-образной или логистической кривой численность «N» время, t N0 Важна роль биологической емкости среды – степени способности природного или природно-антропогенного окружения обеспечивать нормальную жизнедеятельность (дыхание, питание, размножение, отдых) определенному числу организмов и их сообществ без заметного нарушения самого окружения Число особей Повышение популяцией потенциальной емкости «Крах» популяции, или вымирание Потенциальная емкость Время Экологическая стратегия выживания – стремление организмов к выживанию Виоленты (силовики) – подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса Патиенты – виды, способные выжить в неблагоприятных условиях («тенелюбивые», «солнцелюбивые») Эксплеренты (наполняющие) – виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества: на вырубках, гарях, на отмелях и т.д. Тип r-стратегия определяется отбором, направленным прежде всего на повышение скорости роста популяции и, следовательно, таких качеств, как высокая плодовитость, ранняя половозрелость, короткий жизненный цикл, способность быстро распространяться на новые места обитания и пережить неблагоприятное время в покоящейся стадии. Все многообразие экологических стратегий заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются: r-стратегия и К-стратегия К-стратегия направлена на повышение выживаемости в условиях уже стабилизировавшейся численности. Это отбор на конкурентоспособность, повышение защищенности от хищников и паразитов, повышение вероятности выживания каждого потомка. Регуляция плотности популяции Зависимые факторы (биотические) – смертность, зависимая от плотности, может регулировать численность Независимые факторы (абиотические) – влияние независимых факторов прослеживается на сезонных колебаниях численности планктонных водорослей Резюме: саморегуляция обеспечивается механизмами торможения роста численности. Таких гипотетических (предполагаемых) механизмов три: при возрастании плотности и повышенной частоте контактов между особями возникает стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность; при возрастании плотности усиливается миграция в новые местообитания, где условия менее благоприятны и повышается смертность; при возрастании плотности происходят изменения генетического состава популяции – замена быстро размножающихся на медленно размножающихся особей. Впервые на значение лимитирующих факторов указал немецкий агрохимик Ю. Либих в середине ХIХ в. Он установил закон минимума: (урожай/продукция) зависит от фактора, находящегося в минимуме Лимитирующими экологическими факторами следует называть такие факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за недостатка или избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием) Закон Митчерлиха: вообще урожай зависит от совокупного действия всех факторов жизни растений, включая температуру, влажность, освещенность Закон Вильямса – закон независимости факторов: условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменен другим Закон толерантности Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности Температура – важнейший из лимитирующих факторов. Пределами толерантности для любого вида является max и min летальные температуры, за пределами которых вид смертельно поражает жара или холод Пониженная жизнедеятельность Высокая численность организмов Градиент максимальный Закон смерти минимальный Оптимальный интервал Верхняя граница стойкости Пониженная жизнедеятельность Закон смерти Нижняя граница стойкости Подавляющее большинство животных является пойкилотермными, т.е. температура их собственного тела меняется с изменением температуры среды (земноводные, пресмыкающиеся, насекомые…). Меньшая часть животных – гомойотермные, т.е. имеют постоянную температуру тела, не зависящую от температуры внешней среды (млекопитающие, в т.ч. человек), имеющие температуру тела 36-370С и птицы – с температурой тела 400С. Свет – это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле Свет участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических растительностью Земли, и в этом его важнейшая энергетическая функция Свет не только энергетический ресурс, но и важнейший экологический фактор, существенно влияющий на биоту, адаптационные процессы и явления в организмах Растения по отношению к освещенности подразделяются на: светолюбивые (луговые травы, сорняки, хлебные злаки) тенелюбивые (таежные ельники, дубравы, тропические леса) теневыносливые (черника) Вода – физиологически необходима любой протоплазме и с экологической точки зрения является лимитирующим фактором В зависимости от способов адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп: гигрофиты – наземные растения, живущие в очень влажных почвах (папирус, рис) суккуленты – растения сухих степей и пустынь, способные накапливать влагу в лесистых стеблях и листьях (кактус, алоэ) мезофиты – переносят незначительную засуху (большинство культурных растений, растительность дубрав) У животных по отношения к воде выделяют свои экологические группы: гигрофилы – влаголюбивые ксерофилы сухолюбивые мезофилы – средневлаголюбивые Воздушная среда Имеет малые плотности и подъемную силу, незначительную опорность. Поэтому в ней нет постоянно живущих организмов и все ее обитатели связаны с поверхностью Земли Воздушная среда оказывает на организм не только физическое, но и химическое воздействие, обеспечивая им движение и фотосинтез Способы регуляции водного баланса у животных поведенческие (периодическое посещение водоемов, переход к ночному образу жизни) морфологические (приспособления, задерживающие воду в теле: раковины, роговые покровы у рептилий) физиологические, за счет обмена веществ, позволяющего обходится без питьевой воды длительное время (верблюд - потеря воды может быть примерно 27%, овца – 23%, собака – 17%) Человек погибает при 10% потере воды в организме Совместное действие температуры и влажности Температура и влажность, действуя в непрерывном единстве, определяют «качество» климата: высокая влажность в течение года сглаживает сезонные колебания температур – это морской климат; высокая сухость воздуха приводит к резким колебаниям температур – это континентальный климат. Разнообразие климата на просторах России создает большое разнообразие экологических условий, и как следствие, флора и фауна нашей страны отличается широким видовым разнообразием и пока еще остается одной из богатейших в мире. Биогенные вещества как экологические факторы Фосфор – это важнейший и необходимый элемент протоплазмы Кальций является составной частью раковин и костей животных, необходим растениям Азот – входит во все белковые молекулы Биогенные соли и элементы являются лимитирующими факторами Калий входит в состав клеток, играет важную роль в работе нервной системы животных и человека, способствует росту растений Сера – входит в состав некоторых аминокислот, витаминов, коферментов Магний – необходимая часть молекул хлорофилла, входит в состав рибосом растений и животных Ресурсы живых существ – это вещества, из которых состоят их тела; энергия, вовлекаемая в процессы жизнедеятельности, а также места, где протекают фазы их жизненного цикла Территория, где организмы размножаются, проходят стадии своего развития – это ресурс среды Пищевые ресурсы – это сами организмы. В пищевой цепи каждый предшествующий потребитель превращается в пищевой ресурс для следующего потребителя. Хищнику необходимо отыскать, изловить, умертвить и съесть добычу Незаменимые ресурсы – это когда один не в состоянии заменить другой Классификация ресурсов Взаимозаменяемые ресурсы – это когда любой из двух ресурсов можно заменить другим Под биотическим сообществом понимается биоценоз, поскольку сообщество представляет собой население биотопа – места жизни биоценоза Биоценоз – это надорганизменная система, состоящая из трех компонентов: растительности, животных, микроорганизмов Биотическое сообщество (биоценоз) – это более высокий уровень организации, чем популяция, которая является его составной частью Биоценоз обладает сложной внутренней структурой. Выделяют видовую и пространственную структуры биоценозов Видовая структура биоценоза Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов, зависящих от ряда факторов Богатство видового состава биоценозов зависит от возраста сообщества: молодые, только начинающие развиваться – бедны видами по сравнению со зрелыми сообществами. Видовое разнообразие – это число видов в данном сообществе или регионе. Видовое разнообразие взаимосвязано с разнообразием условий среды обитания. Чем больше организмов найдут в данном биотопе подходящие им условия для себя, тем больше видов там поселятся. При оценке биоразнообразия биоценоза нужно учитывать размеры организмов. В биоценоз входят и бактерии, и микроорганизмы. Поэтому возможны следующие направления: с точки зрения систематики (птицы, насекомые) с точки зрения экологоморфологии (деревья, травы, мхи) с точки зрения размера (микрофауна, мезофауна) Пространственная структура биоценоза Пространственная структура фитоценоза Ярусность Мозаичность Пространственная структура биоценоза В широколиственных лесах можно выделить 5-6 ярусов: I – деревья первой величины (дуб, липа, вяз) II – деревья второй величины (рябина, яблоня, груша, черемуха) III – подлесок кустарниковый (крушина, жимолость) IV - состоит из высоких трав V, VI – состоит из низких трав Ярусность лесов тропического и умеренного климата Экологическая ниша. Взаимоотношения организмов в биоценозе Экологическая ниша – место вида в природе, преимущественно в биоценозе, включающее как положение его в пространстве, так и функциональную его роль в сообществе Ниша не просто физическое пространство, занимаемое организмом, но и его место в сообществе, определяемое его экологическими функциями. Ю. Одум (1975 г.) образно представил экологическую нишу как занятие, «профессию» организма в той системе видов, к которой он принадлежит, а его местообитание – это «адрес» вида. Значение экологической ниши позволяет ответить как, где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он отдыхает, размножается. Модель экологической ниши: для наземного растения t влажность Модель экологической ниши: для морского животного t влажность соленость Концепция экосистем Ю. Одум: «Любая биосистема, включающая все совместно функционирующие организмы (биотические сообщества) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему» солнце Продуценты Консументы I порядка Консументы II порядка Редуценты Минеральные вещества Рис. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в природных экосистемах Пирамида продукции и поток энергии в экосистемах Трофическая пирамида падальщики суперхищники хищники травоядные растения Верхний – автотрофный ярус, или «зеленый пояс», включающий фотосинтезирующие организмы, создающие сложные органические молекулы из неорганических простых соединений С точки зрения пищевых взаимодействий организмов, трофическая структура экосистемы делится на два яруса: Нижний – гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, в котором преобладают разложение отмерших органических веществ до простых минеральных образований (С, N, СО2, Н2О, Р, О2) Гомеостаз экосистемы Гомеостаз - способность биологических систем (организма, популяции и экосистем) противостоять изменениям и сохранять равновесие Для управления экосистемами не требуется регуляция извне – это саморегулирующие системы Один из примеров такой системы – субсистема «хищник-жертва» Рост популяции хищника __ + Рост популяции жертвы Положительная обратная связь «усиливает отклонения», например, увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции хищника. Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи I трофический уровень – продуценты II трофический уровень – растительноядные консументы III трофический уровень –плотоядные консументы, питающиеся растительноядными консументами IV трофический уровень – консументы, потребляющие других плотоядных Примеры наземных цепей питания: А – цепи выедания, Б – цепи разложения Системный подход – это направление в методологии познания объектов как систем Система – это множество взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность, единство Основными системными принципами являются: - целостность; - структурность; - взаимозависимость системы и среды; - иерархичность; - множественность описания каждой системы Основными системными принципами являются Целостность – обобщенная характеристика системы, свойства которой не сводимы к сумме свойств ее элементов и не выводимы из этих свойств (целостность организмов более полной будет в популяции, популяции – в биоценозе) Взаимозависимость системы и среды выражается в формировании и проявлении ее свойств в результате этого взаимодействия (взаимодействие биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе) Структурность – установление структуры и взаимозависимости структурных элементов, обусловленности поведения системы ее структурой (структура биоценоза, трофическая структура экосистемы и установление измеримых связей между трофическими уровнями) Иерархичность – это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широкой системы (уровни биологической организации) Модель – это вспомогательный объект, находящийся в определенном объективном соответствии с познаваемым оригиналом и способный замещать его на отдельных этапах познания Моделирование – это разработка, исследование модели и распространение модельной информации на оригинал I этап моделирования – качественный анализ. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели II этап моделирования – это математическая реализация логической структуры модели III этап моделирования – предусматривает верификацию модели (проверку соответствия модели оригиналу) IV этап – это изучение модели, экспериментирование с моделью и экологическая интерпретация модельной информации Вопросы для обсуждения 1. Какие уровни биологической организации являются объектами изучения экологии? 2. Как подразделяются организмы по характеру источника питания и по экологическим функциям в биотических сообществах? 3. Какое значение имеют гомеостаз и адаптация для взаимодействия организмов со средой? 4. На какие две крупные совокупности организмов подразделяется биота? 5. Понятие об экологических факторах. 6. Адаптационные процессы. Значение периодических и непериодических факторов. 7. Закон минимума Либиха. Закон толерантности Шелфорда. Что понимается под диапазоном толерантности? 8. Что отражают статические и динамические показатели популяции? 9. Кривые выживания. 10. Саморегуляция плотности популяций. 11. Экологическая ниша. 12. Почему, по мнению Ю. Одума, человек должен строить мутуалистические отношения с природой? 13. Значение продуцирования и разложения в природе. 14. Экологические пирамиды. Творческое задание 1. Составьте таблицу с конкретными примерами межвидовых взаимодействий организмов. 2. Составьте экологический кроссворд. 3. Составьте опорные карты по основным темам. 4. Проверь себя. 5. Решение задач и упражнений по модулю. 6. Подготовка к игре «Мозговой штурм». 7. Проверочный тест по модулю Задача 1. На огороде основной сорняк - бодяк желтый. Одно его растение производит за лето тысячу семян. Всхожесть семена, лежащие в почве, не теряют 7-9 лет. Определите, сколько семян произведут за 4 года 45 растений (по одному растению бодяга на квадратный метр огорода)? Объясните, почему весь огород не зарастает данным сорняком, какие экологические закономерности мешают этому? Задача 2. Пара грачей приносит за сутки 40-45 г насекомых, что составляет около 1000 особей различных видов. Птенцов выкармливают 2930 дней. Подсчитайте, на сколько (и в т.ч. в процентном отношении), одна колония грачей в 200 гнезд за период выкармливания птенцов может снизить численность насекомых в радиусе 3 км от колонии, если начальная плотность популяции насекомых - 1 особь на 1 м2. Упражнение 1. Объедините в пары живые организмы из левого и правого столбцов, занимающие одинаковые трофические уровни в цепи питания: а) брусника д) cepая жаба б) мухомор е) липа в) соболь ж) жук - могильщик г) лось з) заяц Упражнение 2. Распределите следующие факторы: температура, внутривидовые взаимодействия, влажность, суточная периодичность, свет, межвидовые взаимоотношения, сельское хозяйство, растительная пища, животная пища, промышленность, приливы и отливы, в соответствии с приведенной классификацией: абиотические биотические антропогенные Упражнение 3. Какие из приведенных характеристик популяций: темп роста, половой состав, рождаемость, прирост, численность, плотность, смертность, возрастной состав, относятся к: динамическим статическим Задача На основании экологической пирамиды определите, сколько нужно планктона, чтобы в море вырос один дельфин массой 300 кг, если цепь питания имеет вид: планктон – нехищные рыбы – хищные рыбы – дельфин Игра «Мозговой штурм» Структура игры: - выбор лидера, название команды и девиза; - задания и упражнения для групп; - подведение итогов игры; - рефлексия. Литература 1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М., 1998. 2. Барбье М. Введение в химическую экологию. – М.: Мир, 1978. 3. Бигон М., Харпер Дж., Таундсенд К. Экология – особи, популяции, сообщества. – М., 1988. 4. Гиляров А.М. Популяционная экология. – Ростов н/ Д., 2000. 5. Биологический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1989. 6. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. – М., 1993.
