Экология Лекция 1 из 9 Модуль Входной

Экология Лекция 1 из 9

Модуль: Входной Цели, задачи и предмет дисциплины Лекция 1. Основные понятия экологии

План лекции 1. Цель, задачи, предмет дисциплины 2. Организационная информация: • программа дисциплины, • рейтинг-лист, • учебная литература 3. Основные подходы в экологии. Экосистема и её структура

Цель дисциплины • Обеспечить знание и понимание основных законов взаимодействия природы и общества • Сформировать научный фундамент для создания, развития и применения экономических технологий, сберегающих ресурсы и биоразнообразие в экосистемах • Повышать экологическую грамотность специалистов, умеющих действовать локально, думать – глобально

Задачи дисциплины • Освоить основные теоретические понятия и законы экологии • Научиться применять теоретические знания по экологии при решении практических задач с учетом региональной специфики • Расширить общекультурный и общепрофессиональный кругозор в рамках аудиторной и самостоятельной работы по темам дисциплины с помощью современных образовательных технологий

Предмет дисциплины Автор названия Эрнст Геккель (1866 г. ). эйкос – дом, жилище, окружение, местопребывание логос – наука.

Значение дисциплины Разруха начинается в головах. М. Булгаков. Собачье сердце Сознательная переориентация экономики и образа жизни людей на путь, согласующийся с законами живой природы Последовательное внедрение принципов устойчивого развития в организацию жизнедеятельности людей на всех уровнях Содействие сохранению и созданию хороших жизненных условий для подрастающих поколений Содействие постоянному взаимодействию участников социума (бизнес, власть, наука, общественные организации, образовательные институты, СМИ и др. )

Программа дисциплины Модуль Входной. Цели, задачи и предмет дисциплины Лекция 1. Подходы и методы экологии. Экосистема и её структура Модуль Базовый 1. Организмы и окружающая среда Лекция 2. Структура экосистем Лекция 3. Экология популяций Лекция 4. Количественная экология Модуль Базовый 2. Общество и окружающая среда Лекция 5. Динамика народонаселения Лекция 6. Ресурсы. Экономика и экология Лекция 7. Загрязнение окружающей среды Итоговый модуль. Человек и природа Лекция 8. Стратегия устойчивого развития Лекция 9. Экологический риск

Учебная литература Основные учебники Грин Н. , Стаут У. , Тейлор Д. Биология. Т. 2. – М. : Мир, 1990. Глава 12. «Организмы и окружающая среда» . Глава 13. «Количественная экология» Миллер Т. “Жизнь в окружающей среде: В 3 -х т. ” Пер. с англ. / Под ред. Ягодина Г. А. -М. , Прогресс, 1993

Основные Понятия 1. Основные подходы экологии 2. Экосистема и её структура

Пять основных подходов • • • Для понимания экологической обстановки требуется одновременный учет множества взаимодействующих факторов. На практике большинство экологов применяют один из пяти основных подходов Они частично перекрываются и взаимодействуют Экосистемный Синэкологический (изучение сообществ) Популяционный (аутоэкология) Анализ местообитаний Эволюционный , исторический

1. Экосистемный подход Экосистема - совокупность живых организмов с их местообитанием (Артур Джордж Тэнсли, 1935) • • • При экосистемном подходе в центре внимания - поток энергии и круговорот веществ между биотическими и абиотическими компонентами экосферы, функциональные связи (такие, как цепи питания) организмов между собой и с окружающей средой, а не видовой состав или колебания численности и сходство организации всех сообществ. В экосистемном подходе используют концепцию гомеостаза (саморегуляции), по которой нарушение регуляторных механизмов, например в результате загрязнения среды, может привести к биологическому дисбалансу. Экосистемный подход важен при разработке научно обоснованного ведения сельского хозяйства. поток энергии и круговорот веществ Английский геоботаник Тенсли – один из создателей экологии гомеостаз цепи питания

2. Синэкологический подход • • Изучает биотические компоненты экосистем растения, животные и микроорганизмы, обитающие в различимых биотических единицах, таких, как лес, луг или вересковая пустошь. • Выявляют и лимитирующие факторы, но влияние физической среды, например климата, подробно не рассматривается. Акцент делается на определении и описании видов и факторов, ограничивающих их распространение, в частности на конкуренцию и расселение. • Важный аспект представление о сукцессиях и климаксных сообществах, основа решения вопросов рационального использования природных ресурсов

3. Популяционный подход • • Изучает проблемы отдельных видов (аутэкология). Позволяет получать математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности видов на основе изучения рождаемости, выживаемости и смертности. • Обеспечивает теоретическую базу для понимания вспышек численности вредителей и паразитов, имеющих значение для сельского хозяйства и медицины, открывает возможности биологической борьбы с ними (например, использование хищников и паразитов вредителя) • Позволяет оценить критическую численность вида, необходимую для его выживания, что важно при организации заповедников, ведении охотничьего хозяйства, при изучении теории эволюционной и исторической экологии. • Приложение экологических идей к палеонтологии позволило лучше понять взаимоотношения видов в ископаемых сообществах. Популяционная биология обеспечила теоретические основы для анализа расселения и вымирания видов с самых ранних этапов эволюции жизни на нашей планете. •

4. Экотопный (изучение местообитаний) • Местообитание - участок среды определенного типа, где живет данный организм (живая изгородь, пресноводное озеро, дубовая роща, каменистый берег, • • Каждый вид занимает свою экологическую нишу (роль в сообществе, питание и взаимоотношения с другими видами). Если два вида занимают одну нишу, они конкурируют, пока один не будет вытеснен. Сходные местообитания включают сходный набор экологических ниш, и в различных частях земного шара можно встретить морфологически близкие, хотя и таксономически различные виды животных и растений. • • Микробиотопы: места с особыми условиями (например, под корой гниющего ствола в дубовой роще) -. Например, открытые луга, степи и заросли низкого кустарника служат экологическими нишами для быстро бегающих травоядных, но это могут быть лошади, антилопы, бизоны, кенгуру и т. п. • Местообитания легко классифицировать, их анализ удобен для исследований, но мало информативен по сравнению с тремя другими подходами. Некоторые сообщества (песчаных дюн, засоленных болот) так тесно связаны с конкретным местообитанием, . Однако компетентное исследование экологии песчанных дюн будет включать и остальные четыре подхода. • Анализ местообитаний очень удобен при изучении физических факторов среды (почва, влажность, освещенность), важные для жизни животных и растений. Здесь связи с экосистемным подходом и изучением сообществ особенно сильны. Развитие смежных наук - гидрологии, почвоведения, метеорологии, климатологии, океанографии. др. - открыло новые важные междисциплинарные области исследования. К сожалению это увеличило трудоёмкость исследований, они требуют создания рабочей группы, где каждый эколог изучает один аспект взаимодействия животных или растений с окружающей средой, например гидрологию леса, климатологию поля или восстановление заброшенных земель. Здесь тоже возможно использование функциональных подходов (экосистемный, популяционный, изучение сообществ).

5. Ретроспективный подход (эволюционный и исторический) • • • Изучают изменение во времени экосистем, сообществ, популяций и местообитаний для прогноза будущих изменений. Эволюционная экология позволяет понять основные закономерности в экосфере до антропогенного вмешательства. Реконструирует экосистемы прошлого по палеонтологическим данным (ископаемые остатки, анализ пыльцы и др. ) и сведениям о современных экосистемах. Историческая экология изучает изменения, связанные с развитием человеческой цивилизации и технологии от неолита до наших дней. На основе этих подходов выявляют долговременные экологические тенденции, установить которые только путем изучения современных экосистем невозможно (изменения климата, конвергентная эволюция, расселение видов животных и растений). Этот подход более креативен, чем анализ местообитания. Изучением древних сообществ и популяций традиционно занималась палеонтология, применение же экологических (экосистемных) идей к прошлому началась совсем недавно и развивается быстрыми темпами.

Экосистема и её структура

Структура экосистем Автотрофы Совокупность живых организмов биоты называется сообществом Биотический Гетеротрофы Абиотический Синтезируют Используют химическую энергию, необходимые им содержащуюся в потребляемой органические вещества пище, поэтому зависят от из простых автотрофов. неорганических Такая зависимость – основа с помощью фотосинтеза существования экосистем. (кроме хемотрофов), используя световую энергию. вода зависит от свойств материнской породы, из которой образуется. • для водных экосистем очень важна соленость. • почва • в большой степени определяет видовой состав организмов, успешно развивающихся в данной экосистеме. для водных экосистем очень важна соленость. климат • включает параметры – освещенности – температуры – влажности

• Экосистема – единый механизм для совершения работы: организмы связаны общностью энергии и питательных веществ (нутриентов). • Происходит КРУГОВОРОТ питательных веществ (биогеохимический цикл), в котором участвуют оба компонента экосистемы • Движущая сила – энергия Солнца. Автотрофы запасают её передают её другим представителям биоты. • В итоге создается ПОТОК энергии и питательных веществ через экосистему. Энергетика экосистем • Климатические факторы абиотического компонента (температура, движение атмосферы, испарение и осадки) тоже регулируются энергией Солнца • Таким образом, все живые организмы – это преобразователи энергии, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. • В итоге вся энергия, поступающая в биоту, рассеивается в виде тепла, которое не может быть использовано как источник энергии для совершения работы (нужен свет и химическая энергия). .

Единицы измерения энергии • В системе СИ – Джоуль 10 000 эрг; 1 эрг – работа, производимая силой в 1 Н на пути в 1 м • Традиционная единица – калория энергия для нагрева 1 г воды на 1 градус

Содержание энергии

Ежедневная потребность в пище (к. Дж/кг массы тела)

Вопросы для самостоятельной работы Вопрос 1 Почему содержание энергии указано в пересчёте на сухую, а не на сырую массу? Вопрос 2 Чем можно объяснить большое различие суточной потребности в энергии на единицу массы тела у человека и мелких животных?

Источник энергии в экосистеме - Солнце • Солнце излучает в космос огромное количество энергии в виде электромагнитных волн. • Около 40% этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без теплового эффекта. • Еще 15 % поглощаются атмосферой (в частности, озоновым слоем в её верхних частях) и превращаются в тепловую энергию или расходуются на испарение воды. 15% поглощение атмосферой Небольшая часть – около 10, 5 млн к. Дж/кв. м в год – захватывается Землей. • 10, 5 млн к. Дж/кв. м в год • • Оставшиеся 45% поглощаются растениями и земной поверхностью. (количество энергии для данной местности зависит от географической широты). • Большая часть энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу; приблизительно две трети энергии поступает в атмосферу этим путем. • Лишь небольшая часть пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы. 40% потери 45% (5 млн к. Дж/кв. м в год) поглощение автотрофами и почвой 97% 3%

Трофические цепи и уровни • Внутри экосистемы органические вещества создаются автотрофными организмами и служат источником вещества и энергии для гетеротрофов. • Животное поедает растения и может быть съедено другим животным. Таким путем происходит перенос энергии через ряд организмов. • Эта последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем. • Первый трофический уровень занимают автотрофы, или первичные продуценты. • Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. • Обычно бывает четыре–пять, редко - больше шести трофических уровней (Раймонд Линдеман, 1942; принцип пирамиды – 10% полезной энергии при переходе на другой уровень) •

Первичные продуценты • Автотрофные организмы - в основном зеленые растения. • Некоторые прокариоты, а именно сине-зеленые водоросли и немногие виды бактерий, тоже фотосинтезируют, но их вклад относительно невелик. • Фотосинтетики превращают энергию солнечного света в химическую энергию органических молекул, из которых построены ткани. • Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие бактерии, извлекающие энергию из неорганических соединений. • В водных экосистемах главные продуценты –водоросли, в основном одноклеточные, составляющие фитопланктон поверхностных слоев океанов и озер. • На суше основные продуценты - голосеменные и покрытосеменные растения, формирующие леса и луга.

Первичные консументы • • • Первичные консументы питаются первичными продуцентами, т. е. это травоядные животные. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее важные группы травоядных млекопитающих – это грызуны и копытные. К последним относятся пастбищные животные, такие, как лошади, овцы, крупный рогатый скот, приспособленные к бегу на кончиках пальцев. В водных экосистемах (пресноводных и морских) травоядные формы представлены обычно моллюсками и мелкими ракообразными. Большинство этих организмов – ветвистоусые и веслоногие раки, личинки крабов, усоногие раки и двустворчатые моллюски (например, мидии и устрицы) – питаются, отфильтровывая мельчайших первичных продуцентов из воды. Вместе с простейшими многие из них составляют основную часть зоопланктона, питающегося фитопланктоном. Жизнь в океанах и озерах практически полностью зависит от планктона, так как с него начинаются почти все пищевые цепи. К первичным консументам относятся также паразиты растений (грибы, растения и животные).

Консументы второго и третьего порядков • • • В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне Вторичные консументы питаются травоядными Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками и охотиться, схватывать и убивать свою жертву, могут питаться падалью или быть паразитами. Хищная птица Сова Землеройка Паук Муха Нектар Насекомоядная птица Паук Божья коровка Тля Роза

Пищевые цепи паразитов необычны по ряду параметров В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, они уменьшаются в размерах на каждом следующем уровне. фасциола человек корова растения

Редуценты и детритофаги Главные типы пищевых цепей пастбищные Энергия извлекается из зелёных растений детритные Энергия извлекается из органических остатков • Скорость разложения различна: органические отходы жизнедеятельности, трупы животных потребляются за несколько недель, а упавшие деревья и ветви – десятилетиями. • Существенную роль в разложении растительных остатков играют грибы, выделяя фермент целлюлазу. Он размягчает древесину, и мелкие животные могут проникать внутрь и поглощать размягченный материал. Редуценты Истинные редуценты, сапрофиты - Грибы, Бактерии (осуществляют разложение органических остатков) Детритофаги – Животные (потребляют кусочки разложившегося материала) детритофаг хищник

Типичные детритные цепи Ястребперепелятник Уж обыкновенный Черный дрозд Травяная лягушка Дождевой червь Личинки падальной мухи Листовой опад Органические остатки

Пищевые цепи и сети • Пищевая цепь – последовательность организмов, питающихся другими организмами. • Реальные пищевые связи в экосистемах сложнее: животные могут питаться организмами разных типов из одной пищевой цепи или различных цепей (особенно хищники верхних трофических уровней). • Есть и всеядные виды, в том числе человек. • Переплетение пищевых цепей образует сеть, в такой схеме могут быть показаны лишь некоторые из возможных связей, обычно она включает лишь одного или двух хищников каждого из верхних трофических уровней. • Такие схемы служат основой для количественного изучения экологических пирамид и продуктивности экосистем.

Пирамиды численности • Для изучения взаимоотношений в экосистеме удобнее использовать не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды. • Сначала подсчитывают число различных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням. Становится очевидным, что численность животных прогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня к последующим. • Численность растений первого трофического уровня тоже нередко превосходит численность животных, составляющих второй уровень. Хищники на высшем трофическом уровне называются конечными хищниками • Количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, длина (или площадь) которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади или в объёме водной экосистемы.

Использование пирамид численности имеет ограничения 1. Продуценты сильно различаются по размерам; в то же время один экземпляр злака или водоросли имеет тот же статус, что и целое дерево (продуцент). Поэтому пирамиды получаются неправильной формы или перевёрнутые. 2. Диапазон численности видов чрезвычайно широк, поэтому для соблюдения масштаба приходится использовать логарифмическую шкалу.

Прямые и перевернутые пирамиды биомассы • • • Биомасса – суммарная масса организмов каждого трофического уровня, отнесённая к единице площади или объёма. Продуктивность – скорость образования биомассы; количество энергии и вещества, переходящих с одного трофического уровня на другой за данный период времени, например за год. Определение биомассы требует трудоемкого взвешивания особей. Определяемая при отборе образцов «биомасса на корню» не отражает ни продуктивности, ни потребления. Без учёта этого могут возникнуть ошибки по двум причинам. 1) Если скорость потребления примерно равна скорости образования биомассы, то урожай на корню не соответствует продуктивности. Так, на плодородном, интенсивно используемом пастбище урожай трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на менее плодородном, но мало используемом для выпаса. 2). Мелким продуцентам (водоросли) свойственна высокая скорость роста и размножения, уравновешенная их интенсивным поеданием и естественной гибелью. 0, 01 1 500 (г/кв. м) : Прямая пирамида (Заброшенное поле) 21 Зоопланктон Фитопланктон 4 Перевернутая пирамида Фитопланктон с продуктивностью как у дерева будет иметь намного меньшую биомассу, хотя он мог бы прокормить столько же животных. В целом популяции крупных и долговечных растений и животных дольше аккумулируют вещество и энергию. • Зоопланктон обладает большей биомассой, чем фитопланктон, которым он питается. • Это характерно для сообществ озер и морей в определенный сезон; во время весеннего "цветения" биомасса фитопланктона выше биомассы зоопланктона, а в другие сезоны возможно обратное соотношение.

Вопросы для самостоятельной работы Вопрос 3 Жгутиковые простейшие Leptomonas паразитируют на мелких насекомых, в одной блохе обнаруживаются тысячи. Построить пирамиду относительной численности на основе пищевой цепи: Трава – Травоядные – Блохи – Leptomonas. Вопрос 4 Объясните различия между пирамидами биомассы А и Б; А и В.

Сезонные «аномалии» пирамид биомассы Пример сезонного изменения в пирамиде биомассы озерных и морских экосистем, где первичный продуцент фитопланктон Биомасса озёрного планктона весной и зимой. Почему пирамида переворачивается по сезонам? Весной, с наступлением благоприятных условий, начинается быстрый рост и размножение водорослей, образующих фитопланктон (цветение воды). В это время биомасса фитопланктона больше, чем на других трофических уровнях. Затем происходит увеличение биомассы и численности первичных, а затем и вторичных консументов. Биомассы фитопланктона «выедается» , а с наступлением холодного сезона скорость её прироста снижается. Наступает момент, когда биомасса более долгоживущих консументов превышает биомассу продуцентов. Подобных кажущихся аномалий можно избежать, применяя пирамиды энергии

Пирамиды энергии – оптимальный способ отображения трофических связей Пирамиды численности и биомассы описывают текущее состояние организмов • При одинаковой биомассе два вида могут содержать разное количество энергии • • • Отражает скорость образования биомассы и прохождения через трофические уровни • Свободна от ошибок, связанных с продуктивностью • • Позволяет сравнить не только разные экосистемы, но и значимость популяций внутри экосистемы без перевернутых пирамид • К основанию пирамиды энергии можно добавить еще один прямоугольник, отображающий поступление солнечной энергии При одинаковой биомассе два вида могут содержать разное количество энергии Не учитывают первоисточник энергии на Земле

Пирамиды энергии нелегко строить • Требуется много измерений и расчётов • Нужна дополнительная информация об энергетическом содержании масс организмов (либо сжигание репрезентативных выборок, либо расчет из пирамид биомассы) Тем не менее, пирамиды энергии имеют самый прочный научный фундамент – второй закон термодинамики: переход с уровня на уровень не может происходить со 100%-ной эффективностью, поэтому до последующих уровней доходит меньше энергии и на них располагается меньшее число особей.

Экология – экономика природы (Э. Геккель, 1866) • Первичная продукция • Скорость накопления энергии первичными продуцентами в виде органических нутриентов • Валовая первичная продуктивность • Скорость накопления растениями химической энергии • Чистая первичная продуктивность • Скорость накопления энергии за вычетом расхода на фотосинтез и дыхание растений

Баланс энергии Потреблённая пища = Рост + Дыхание + Экскреты Средняя эффективность переноса энергии от растений к животным – 10% Средняя эффективность переноса энергии от животных к животным – 20%

Для чего нужно изучать поток энергии в экосистемах? • Применять полученные знания для удовлетворения потребности человека в пище и энергии • Совершенствовать методы агротехники, повышать её эффективность • Рационально использовать экосистемы

Рациональное использование экосистем Получение урожая – изъятие биомассы из экосистемы Условие рациональности: Максимально эффективное производство продукции, пригодной для питания орошение дренаж стратегия максимального постоянного уровня добычи учет эффектов концентрации веществ в пищевых цепях удобрения адаптивная селекция каллусные технологии биологическая защита агроценозов

Тема для самостоятельного изучения Абиотический компонент экосистемы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Эдафические факторы Образование и типы почв Типы почв Красноярского края Климатические факторы Топография Биогеохимические циклы

Интернеттренажёр

• ДЕ N 1. Биосфера. 1. Экология как наука. 2. Понятие биосферы, еe структура. 3. Живое вещество биосферы, его функции. 4. Круговороты веществ в биосфере.