БИОЦЕНОЗ
Трансформация энергии биологическими системами
• Количество солнечной энергии, поступающей в живые организмы, ничтожно мало по сравнению с общим потоком энергии, достигающей поверхности Земли. • За счет энергии фотосинтеза может образовываться несколько килограммов сухого органического вещества на квадратный метр поверхности в год. • Более половины энергии, полученной при фотосинтезе, расходуется растениями на дыхание. • В процессе фотосинтеза энергия излучения преобразуется в химическую энергию соединений углерода. В дальнейшем эти соединения расщепляются вновь до углекислого газа и воды с выделением энергии. Таким образом, фотосинтез и дыхание – два противоположных процесса в природной среде, которые составляют основу энергетических процессов в биосфере.
Биоценоз – сообщество животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными условиями жизни. Биоценоз является продуктом естественного отбора, его существование возможно только при наличии лучистой энергии Солнца и постоянного круговорота биогенных веществ. Совокупность неживых составляющих на определенной территории, являющейся местом проживания биоценоза, называется экотопом. Биоценоз образует с экотопом систему еще более высокого уровня – биогеоценоз. Биогеоценоз является минимальной экологической единицей. Антропогенное воздействие направлено не на природную среду в общем, а на конкретные биоценозы.
Способность экологической системы сохранять состояние динамического равновесия носит название гомеостаза. Для поддержания стабильности системы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии между организмами системы и окружающей средой.
Несмотря на то, что экосистемы находятся в состоянии гомеостаза, в них происходят медленные изменения, называемые сукцессиями. Сукцессии бывают: 1. Зоогенные. 2. Фитогенные. 3. Антропогенные 4. Катастрофические Различают также первичные и вторичные сукцессии. Устойчивость биоценозов обеспечивается обратными связями. Существуют положительные и отрицательные обратные связи.
Трофические уровни и цепи питания в биоценозе В основе любой экосистемы, любого биоценоза лежит трофическая (пищевая) цепь. Трофическая цепь – это перенос энергии от ее источника к последующим организмам с многократным поеданием друга. Трофические цепи связаны между собой, образуя сложные сети. Все организмы могут быть классифицированы: 1. По способу питания. 2. По уровню в цепи питания. По способу питания выделяют автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные организмы. Автотроф - организм, способный синтезировать все необходимые ему органические вещества из неорганических, используя в качестве источника энергии свет или некоторые органические соединения.
Гетеротрофные организмы используют в качестве пищи готовые органические вещества, т. е. питаются другими животными организмами, растениями или их плодами. Миксотрофные организмы в зависимости от условий внешней среды могут сочетать автотрофный и гетеротрофный режимы питания (водные одноклеточные организмы при хорошей освещенности – автотрофы, в противном случае – гетеротрофы). По уровню в цепи питания: • Продуценты – автотрофные организмы, производящие пищу в процессе фотосинтеза (растения, водоросли, некоторые бактерии); • Консументы – гетеротрофные организмы, главным образом животные, поедающие другие организмы; выделяют первичных консументов (1 порядка) и вторичных (второго порядка); • Редуценты – гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех уровней (грибы, бактерии, беспозвоночные).
Круговорот веществ и передача энергии в биоценозе
Совершенно естественно, что поглощенная энергия используется как для создания тела соответствующих живых существ (органических веществ, их образующих), так и для обеспечения деятельности этих живых существ. Необходимая для этой цели энергия образуется в результате сложного многоступенчатого окисления органических соединений в клетках живых организмов - так называемое клеточное дыхание. Процесс жизнедеятельности протекает с невысоким коэффициентом полезного действия и большая часть энергии обращается в низкопотенциальное тепло, рассеивающееся в окружающем пространстве - энтропию. • Растения улавливают 1 -2% поглощенного света; • Эффективность у травоядных от 10% (древесина) до 80% (плоды, семена); • Хищники усваивают до 60… 90% потребленной пищи.
Из усвоенной энергии на создание биомассы тратят: • Растения от 30 до 85% (остальное идет на дыхание); • Птицы и крупные млекопитающие – 1%; • Мелкие млекопитающие – до 6%; • Холоднокровные животные до 75%.
Продуктивность биоценозов. Экологические факторы Важнейшей характеристикой любого биоценоза является его биологическая продуктивность – производство или воспроизводство биомассы в единицу времени на единицу площади (или объёма). Размерность т/(га·год). Различают первичную и вторичную продуктивность. Первичная – продуктивность автотрофных организмов. Продуктивность консументов является вторичной. Образование всех органических соединений из элементов происходит с поглощением энергии. Все органические вещества горючи и выделяют при сгорании тепло. Иными словами, они обладают потенциальной энергией. С позиций термодинамики органическое вещество в воздушной (кислородной) среде неустойчиво и способно к полному и необратимому превращению в исходные простейшие неорганические соединения. При обычных температурах, однако, скорость такого процесса очень мала и органический и живой мир жизнеспособны.
Пирамида чисел Элтона
Продуктивность различных биоценозов неодинакова, она определяется экологическими факторами. Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их развития. Экологические факторы делят на 2 категории. Первая категория – абиотические – факторы неживой природы • климатические (температура, давление, влажность …. ); • химические (состав воздуха, воды, почвенных растворов…); • эдафогенные (механический состав, плотность почв, …); • орографические (рельеф, высота над уровнем моря, …); • … Вторая категория – биотические – факторы живой природы (фитогенные, зоогенные, микробиогенные, антропогенные).
• Сезонный климат с минусовыми зимними температурами (но не ниже -12 о. С), при осадках 7502000 мм/год - условия для существования листопадных лесов умеренного пояса. • Долгая и холодная зима, количество осадков 500 -800 мм/год, преимущественно в виде снега, создают условия для существования вечнозеленых хвойных лесов. • Сезонный климат с умеренно-теплым до жаркого летом, минусовых значениях зимних температурах и количестве осадков 250 -750 мм/год отвечает биому степей. • Очень сухой климат с жаркими днями и холодными ночами (значения температур, естественно, меняется в соответствии с широтами) при количестве осадков менее 250 мм/год соответствует биому пустынь. • Наконец, очень холодный климат с полярным днем и полярной ночью, минусовой среднегодовой температурой - это признаки биома тундры. Биом - большая группа экосистем со сходным типом растительности, определяемым сходными климатическими условиями
Биоценоз Площадь Продуктив. Запас ность, энергии, т/(га·год) к. Дж· 10 -16 млн. км 2 % Лес 40, 6 28 7 36, 8 Обработанные земли Степи и луга Пустыни 14, 5 10 6 14, 6 25 17 4 17, 4 54, 2 36 1 9, 2 Полярные зоны 12, 7 9 0 -
В биоценозах отношение продуцируемой биомассы в процессе фотосинтеза (Р) к расходам на дыхание (R) может быть различным: • P/R>1 – системы с автотрофной сукцессией; • P/R<1 – системы с гетеротрофной сукцессией, суммарная масса экологической системы снижается; • P/R≈1 – биомасса и энергия в таких системах остаются примерно одинаковыми.
Экологическая регуляция. Экологическая ниша. Адаптация Условия окружающей среды проявляют значительную изменчивость во времени и пространстве. Однако любой живой организм приспосабливается к определенным условиям окружающей среды. Экологическая ниша – совокупность экологических факторов, в пределах которых возможно длительное существование организмов. Другими словами, экологическая ниша – совокупность связей организма с биотическими и абиотическими факторами его среды обитания. Экологическая ниша – это некий объём в n-мерном пространстве, где n – полное число экологических факторов. В экологических системах каждый вид занимает свою нишу, пустых ниш не бывает. Если какой-либо вид исчезает, его экологическую нишу занимает другой.
Большинство биологических видов приспособлено не к определенному значению данного экологического фактора, а к пределам его изменения в природе и к сезонным колебаниям. Для любого вида и для каждого фактора можно определить диапазон (например, температур или влажности) в котором они наиболее активны и развиваются наилучшим образом. Это, для данного фактора, зона оптимума. Выше или ниже этого интервала особи вида жизнеспособны, хотя они развиваются и живут значительно хуже, чем в зоне оптимума. Толерантность – выносливость организмов по отношению к колебаниям экологического фактора. Выделяют минимальные и максимальные критические точки, субоптимальные области и зоны пессиума, где активность организмов значительно ограничена.
Экологическая толерантность вида является выражением его приспособления к условиям среды и определяет область географического распространения особей данного вида (ареал). 1. Кривая толерантности не всегда имеет симметричный вид. 2. Зона толерантности и положение оптимума данного фактора могут быть различными для различных функций организма (к примеру, для выживания и размножения). 3. Толерантность зависит от пола и возраста. 4. Одни и те же организмы, живущие в различных ареалах, могут иметь различные границы толерантности. 5. Экологическая толерантность может изменяться под воздействием других факторов среды (к примеру, температура – влажность).
Животные и растения вынуждены приспосабливаться к множеству экологических факторов, причем эти способности проявляются у них в процессе эволюции и естественного отбора. Устойчивое равновесие между видами существует благодаря адаптации их друг к другу и к окружающей среде. Адаптация – эволюционно выработанная и наследственно закрепленная особенность живых организмов, обеспечивающая их нормальную жизнедеятельность в условиях динамического влияния экологических факторов. Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. В ходе отбора виды изменяются и все лучше адаптируются к своим местам обитания и экологическим нишам. Чем лучше приспособлены организмы к местам обитания и экологическим нишам, тем меньшей будет скорость их изменения.
1840 год – закон минимумов, закон Либиха (химик-органик). Доказал, что развитие растений зависит не только от факторов, которые присутствуют в достаточном количестве, но и от тех, которых не хватает. Согласно закону минимумов (закону Либиха), экологические факторы, находящиеся в недостатке, ограничивают жизнедеятельность организмов. Спустя 70 лет Шелфорд (США) доказал, что и избыток фактора также приводит к нежелательным последствиям. Экологические факторы, присутствующие в избытке и недостатке, были названы Шелфордом лимитирующими. В настоящее время этот закон называют законом лимитирующих факторов или законом экологической толерантности. Согласно этому закону, лимитирующие факторы ограничивают жизнедеятельность организмов.
Скачать презентацию БИОЦЕНОЗ Трансформация энергии биологическими системами
4 БИОЦЕНОЗ.ppt