Лекция №2. БИОЭКОЛОГИЯ: Организм и среда Основные вопросы: 1. Сколько сейчас в науке описано видов, населяющих сушу и воды нашей планеты? 2. Можно ли считать, что биологическое разнообразие избыточно? 3. Много ли видов можно обнаружить на небольшом местообитании: в отдельном лесу, озере или реке? 4. В чем выражается специализация видов к определенным условиям обитания? 5. Какие факторы среды ограничивают возрастание численности особей вида? 6. Почему среди видов имеются приспособленные как к мало, так и к сильно меняющимся условиям среды обитания? Экология в развитии • Что в наше время подразумевают под экологией ? • Зарождение экологии в XIX веке • Расширение области экологических знаний и проблематики в XX веке • Почему экологические знания столь важны ? • Экологическая культура 3 Экология (определение из Википедии) • Эколо́гия — наука о взаимодействиях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году в книге «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»). 4 Термин «Экология» ввел Эрнст Геккель в 1866 г Эколо́гия — наука о взаимодействиях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин впервые предложил немецкий Эрнст Геккель биолог Эрнст Геккель в 1866 году в книге (1834 - 1919) «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»). 5 Однако в первоначальном определении Э.Геккеля экология представлена более многогранно: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего – его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология – это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин называет условиями, порождающими борьбу за существование». 6 Развитие экологии: • С момента зарождения и до настоящего времени экология, как отрасль знаний, находится в постоянном расширении, включая в себя все новые составляющие. • Еще в период биологического этапа развития экология стала центром объединения ряда частных наук: экологии растений, экологии животных, динамики популяций, экологии сообществ. 7 Дальнейшее расширение области экологических знаний: • • • • • • • • • • • • Лесоведение Экология растений Экология животных Динамика популяций Биоценология Общая экология Охрана природы Природопользование Демография Эпидемология Охрана труда Водная токсикология • Загрязнение ОС • Охрана и рациональное использование ОС • Экономика природопользования • Экологическое право • Международное сотрудничество • Экологическое образование • Устойчивое развитие • Экологическая политика • Экологическая журналистика 8 Структура современной экологии по: Н.Ф.Реймерсу 9 Экологический «взрыв» в науке По: Реймерс, 10 Экология в наше время понимается как область знания, объединяющая множество наук, имеющих дело с экологическими проблемами и мероприятиями, которые направлены на решение экологических проблем (на охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов) Такое определение экологии соответствует представлению о ней как наднауке. Поэтому Н.Ф.Реймерс (1990) предложил употреблять термин Мегаэкология или Глобальная экология 11 Биоэкология 12 Три составляющих биологической экологии • В 1910 г. на Третьем Международном ботаническом конгрессе в Брюсселе были выделены три подраздела экологии: • Аутэкология — раздел науки, изучающий взаимодействие индивидуального организма или вида с окружающей средой (жизненные циклы и поведение как способ приспособления к окружающей среде). • Демэкология — раздел науки, изучающий взаимодействие популяций особей одного вида внутри популяции и с окружающей средой. • Синэкология — раздел науки, изучающий функционирование сообществ и их взаимодействия с биотическими и абиотическими факторами. 13 Основные закономерности Аутэкологии: Влияние на организм Экологических Факторов Экологический фактор - любой элемент среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития Экологические факторы подразделяют на: • Абиотические (относящиеся к неживой природе) и • Биотические факторы (связанные с влияние живых организмов друг на друга) • Антропогенные – влияние, оказываемое человеком и его деятельностью. 14 Экологически факторы – это отдельные свойства или части среды, воздействующие на организмы Экологические факторы Абиотические факторы Биотические факторы Антропогенные факторы Абиотические факторы – это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы: • • • • • • • • • Температура; Влажность; Освещенность; Минеральный состав почвы и воды; Минеральные осадки; Ветер (аэродинамика); Течения (гидродинамика); Атмосферное давление; Концентрации газов в воздухе. Биотические факторы – это прямые или косвенные воздействия одних организмов на другие : • • • • • • • • • Трофические отношения; в том числе Хищничество; Конкуренция за ограниченные ресурсы; Паразитизм; Воздействие корневых выделений растений; Другие химические воздействия; Биообрастание; Создание среды обитания; Транспортные отношения. Биотические факторы – это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Типы взаимодействия организмов А и Б Знаки для Знаки для А Б Результат взаимодействия Конкуренция - - Одна популяция стремиться истребить другую Хищничество (Ахищник, Б- жертва) + - Хищников всегда меньше, чем жертв Паразитизм (Апаразит, Б – хозяин) + - Паразит живет на теле или в теле хозяина, питается за счет него, ослабляет его и может привести к гибели Комменсализм + 0 А получает пользу от объединения с Б, для которого это объединение безразлично Мутуализм + + Взаимовыгодное объединение двух организмов Нейтрализм 0 0 Взаимодействие отсутствует Температура как фактор среды • Скорость химических реакций • Положение динамического равновесия • Пределы температурного диапазона жизни • Термофилы • Мезофилы — организмы, лучше всего растущие при умеренной температуре • Психрофилы (психротрофы) - или Криофилы — организмы, нормально существующие и размножающиеся при относительно низких температурах (обычно не выше 10 °C). Правило Вант-Гоффа Правило Вант-Гоффа в диапазоне обычных температур скорость химической реакции при повышении температуры на каждые 10о удваивается или даже утраивается: Vt 10 = Vt x Q10 Правило Вант-Гоффа применимо к организмам и проявляется в: 1 - В частоте сокращения сердца: при изменении температуры с 10 до 20о: • частота биения сердца черепахи увеличивается в 2,2 раза • у человека частота биения сердца вначале возрастает в 3,8 раза 2 - скорость распространения нервного возбуждения увеличивается в 1,8 раза Правило Вант-Гоффа применимо к организмам и проявляется в: 3 – в скорости эмбрионального развития: • Закладка очередной борозды дробления яйца у морского ежа происходит при: • 3о каждые 532 мин • 20о 75 мин • • • • Развитие форели при 2о - занимает 205 дней при 5о 82 дня а при 10о 41 день Влажность как фактор среды • Вода – как ресурс для построения организма = ксерофиты - засухоустойчивые растения = гигрофиты - растения влажных местообитаний: • корневая система слабая, стебли длинные с плохими механическими свойствами, кутикулярные покровы высоко транспирабельные. Травянистые растения влажных тропических лесов и болотистые растения. = гидатофиты - водные растения погруженные в воду • (Элодея, рдест, кувшинка) Влажность как фактор среды Свет – как фактор среды • • • • • • Свет – электромагнитное излучение с длиной волны от 0,29 до 50 мкм от 0,29 до 0,4 мкм - УФ свет от 0,4 до 0,75мкм - видимый свет от 0,75 до 50 мкм – ИК свет Свет для растений – образование хлорофилла, биосинтез белков и нуклеиновых кислот, влияние на газообмен и транспирацию Растения – светолюбивые и теневыносливые 26 27 Теневыносливые растения 28 Ярусность леса 29 30 Законы биоэкологии • • • • Закон оптимума Закон лимитирующих факторов Закон толерантности Закон совместного действия 31 Закон оптимума : любой фактор имеет ограниченные пределы положительного влияния на организм, за пределами которого нарастает вредное действие фактора. 32 Эврибионтные и стенобионтные виды Распределение разных видов деревьев по отношению к увлажненности: (по Риклефс) I - ладанный кедр; II - лжетсуга (Tsuga - из сем. сосновых III - земляничное дерево (Arbutus, сем.вересковых) 5-6 м вечнозеленые деревья, крупные кожистые листья, Сев.Америка и Средиземноморье IV – Секвойя; V - Калифорнийский лавр - вечнозеленые деревья и кустарники VI - Крупнолистый клен Распределение разных видов деревьев по отношению к температуре Лимитирующие Факторы: Юстус Либих (1803-1873) - немецкий химик Наиболее значим для организма тот фактор, который в наибольшей мере отклоняется от оптимального значения. На практике означает, что: Величина урожая и его устойчивость определяются веществом, находящимся в минимуме или Рост растений ограничивается элементом, концентрация которого лежит в минимуме. 36 ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТИ: • Присутствие и процветание популяции какихлибо организмов в данном местообитании зависит от комплекса экологических факторов, к каждому из которых у организма существует определенный диапазон толерантности (выносливости). ЗАКОН СОВОКУПНОГО ДЕЙСТВИЯ • Продуктивность биологической системы определяется всей совокупностью действующих экологических факторов Экологические ниши • Это комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду для жизни роста и размножения в данной экосистеме. • Это функциональное место организма в экосистеме 39 Высокое разнообразие видов насекомых в тропическом лесу Авторы пришли к выводу, что общее число видов членистоногих, населяющих лесной массив Сан-Лоренцо (а это около 6000 га), оценивается от 18 000 до 44 000 видов. Наиболее вероятная оценка — около 25 000 видов. Источник: Yves Basset, Lukas Cizek, Philippe Cuénoud, et al. Arthropod Diversity in a Tropical Forest // Science 2012: V. 338. P. 1481–1484. 40 Общее число видов (шкала слева, черные столбики) и число особей (шкала справа, светлые столбики) разных групп членистоногих, собранных на обследуемом участке 0,48 га. Серые столбики — наилучшая оценка общего числа видов на всей территории леса Сан-Лоренцо. Обозначения (a1, a2, ..., a6) соответствуют разным моделям, использованным для расчетов. Цифры на самом верху — это число видов данной группы, представленных в сборах только одним 41 экземпляром. Из обсуждаемой статьи в Science Адаптации, связанные с внешним строением: 1. Форма тела: в) маскировка – подражание окружающим предметам морской конѐк палочник гусеница пяденицы Адаптации, связанные с внешним строением: 2. Окраска: а) покровительственная Адаптации, связанные с внешним строением: 2. Окраска: а) покровительственная (расчленяющая) Адаптации, связанные с внешним строением: 2. Окраска: а) покровительственная (способность менять цвет) камбала Адаптации, связанные с внешним строением: 2. Окраска: а) покровительственная (способность менять цвет) Адаптации, связанные с внешним строением: 2. Окраска: б) предупреждающая Адаптации, связанные с внешним строением: 2. Окраска: в) мимикрия – подражание защищѐнным организмам муха-журчалка оса ленточник монарх яснотка крапива Адаптации, связанные с внешним строением: 3. Средства защиты: а) шипы, иглы Адаптации, связанные с внешним строением: 3. Средства защиты: б) твѐрдые покровы Адаптации, связанные с внешним строением: 3. Средства защиты: в) химические и электрические Поведенческие адаптации: 1. спячка Поведенческие адаптации: 2. перелѐты, миграции Поведенческие адаптации: 3. затаивание, мнимая смерть Поведенческие адаптации: 4. отпугивающее поведение Поведенческие адаптации: 5. забота о потомстве Поведенческие адаптации: 6. брачное поведение Поведенческие адаптации: 7. движение у растений Физиологические адаптации: 1. накопление жира Физиологические адаптации: 2. сильное развитие органов чувств Физиологические адаптации: 3. быстрый цикл развития Физиологические адаптации: 4. особенности питания Физиологические адаптации: 5. особенности дыхания Физиологические адаптации: 6. особенности выделения Биоразнообразие 65 Что означает понятие «биологическое разнообразие» ? • Биологическое разнообразие - совокупность всех видов живых организмов населяющих планету, континент или отдельный регион Вид - основная таксономическая категория в биологической систематике. Под видом понимается совокупность особей, обладающих рядом общих морфологических признаков, и способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства. (Виды обычно разделены между собой отсутствием гибридных форм.) Количество видов установленное (2006) и предполагаемое на суше 67 Количество видов установленное (2006) и предполагаемое в Мировом океане 68 Сколько сейчас в науке описано видов, населяющих сушу и воды нашей планеты? • • • • • Сколько всего видов на Земле ? • 1,5 млн Сколько из них растений, • 0,27 млн животных? • 1,32 млн ================================= Сколько примерно видов растений в обычном лесу? • Почему их меньше? Сокращение видового разнообразия Земли (Примак Р. Основы сохранения биоразнообразия. – М., 2002. – 256 с.) Исчезло Под угрозой исчезновения Компоненты биосферы видов % от общего числа видов видов % от общего числа видов Высшие растения 384 0,15 18699 7,4 Рыбы 23 0,12 320 1,6 Амфибии 2 0,05 48 1,1 Рептилии 21 0,33 1355 21,5 Птицы 113 1,23 924 10,0 Млекопитаю щие 83 1,99 414 10,0 Основные причины сокращения флоры Германии на 581 вид растений (по: Trautmann, 1984) Исчезающие животные на территории России • 2161 вид животных внесен в перечень редких и находящихся под угрозой исчезновения видов животных на территории России. Из них: • позвоночные составляют 38,9%, беспозвоночные – 61,1%, • в том числе: • видов млекопитающих – 181 (8,4%), • птиц – 470 (21,8%), • пресмыкающихся – 64 (2,9%), • земноводных – 24 (1,2%), • рыб и круглоротых – 101 (4,6%), • беспозвоночных – 1321 (61,1%). Редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды животных фауны России по макротаксонам Общее число видов фауны Сводный список редких видов Позвоночные 1831 840 Млекопитающие 320 181 Птицы 732 470 Пресмыкающиеся 75 64 Земноводные 27 24 Рыбы и круглоротые 677 101 130000-150000* 1321 Черви плоские и кольчатые 3900 17 Мшанки, плеченогие 523 2 Моллюски 2000 71 Ракообразные 2000 24 Паукообразные 10000 8 120000* 1199 Макротаксон, тип / класс Беспозвоночные Насекомые Всего 2161 Ареал и Биотоп: • Ареа́л — область распространения и развития определенного таксона (вид, род и др.) или типа сообщества животных и растений. • Биото́п — относительно однородный по абиотическим факторам среды участок пространства (суши или водоёма), занятый определённым биоценозом. 74 Пример сплошного ареала: карликовой березы (Bétula nána) 75 Европейский ареал распространения бабочки боярышницы Aporia crataegi (Linnaeus, 1758), (пример сплошного ареала) 1 - заселенные регионы, 2 - свободные, 3 - информация отсутствует. Источник: http://www.pesticidy.ru/dictionary/area#lit_source_501 76 Пример разорванного (мозаичного) ареала: выхухоли (Desmana moschata) 77 Пример географической изоляции: разорванный ареал серны (Rupicapra rupicapra) (Источник: http://docs.podelise.ru/docs/index-4962.html?page=7 ) 78 Выводы 1. На нашей планете обитает великое множество различных видов микроорганизмов, растений, животных, но в большинстве отдельно взятых местообитаний общее число видов невелико (кроме самых благоприятных тропических экосистем). 2. Это связано с тем, что биоразнообразие обусловлено специализацией видов к обитанию на суше и в воде, в пресных и морских водах, на севере и на юге, в засушливом и влажном климате, в высокогорье и низинах, а также по характеру питания, особенностям размножения и т.д. 3 - Каждый вид исторически приспособлен к определенным условиям обитания, и его жизнедеятельность зависит от значений факторов среды: температуры, освещенности, влажности, химического состава воды, грунта и т.д. 4 - Закон оптимума гласит, что любой фактор имеет ограниченные пределы положительного влияния на организм, вне которых нарастает вредное действие фактора. 5 Закон лимитирующих факторов гласит, что любой экологический фактор становится лимитирующим, если он находится ниже критического уровня, генетически присущего данному виду, или превосходит максимально выносимый уровень. 6 - Изменение условий обитания – главная причина исчезновения видов в данном месте: В результате вырубки лесов, прокладки дорог, дренажных работ, изменения состава сточных вод, загрязнения воздуха и воды и многих других антропогенных воздействий происходит сокращение числа обитающих на Земле видов. Прямое уничтожение видов в результате потребления или истребления сокращает биоразнообразие в меньшей степени, чем косвенное, обычно незаметное изменение условий обитания. Лекция закончена
