Скачать презентацию Экология Лекция 7 Экосистема 1 5 12 2011 Скачать презентацию Экология Лекция 7 Экосистема 1 5 12 2011

Экология_2011-12_лекция_7! экосистема 1.ppt

  • Количество слайдов: 59

Экология Лекция 7. Экосистема (1) 5. 12. 2011 Микроэкосистема Мезоэкосистема Микроэкосистема Макроэкосистема Экология Лекция 7. Экосистема (1) 5. 12. 2011 Микроэкосистема Мезоэкосистема Микроэкосистема Макроэкосистема

1866 Термин «экология» Геккель (Haeckel) Эрнст Генрих (1834 -1919) Термин «экология» введен в 1866 1866 Термин «экология» Геккель (Haeckel) Эрнст Генрих (1834 -1919) Термин «экология» введен в 1866 г. Эрнстом Геккелем для обозначения науки, изучающей взаимоотношения организмов с окружающей средой. «. . . Под «экологией» мы подразумеваем общую науку об отношении организма к окружающей среде, куда мы относим все "условия существования" в широком смысле этого слова. Они частично органической, частично неорганической природы» (Haeckel, 1866, 286 S).

1896 Учение об экологических факторах Евгений Варминг 1841 – 1924 Ойкологическая география растений. Введение 1896 Учение об экологических факторах Евгений Варминг 1841 – 1924 Ойкологическая география растений. Введение в изучение растительных сообществ. М. : Тип. И. А. Баландина. 1901 г. , 542 с. Lehrbuch der ökologischen Pflanzengeographie - Eine Einführung in die Kenntnis der Pflanzenvereine by Emil Knoblauch. Berlin, Gebrüder Borntraeger, 1896. 412 S.

1927 «Трофическая ниша» Чарльз Элтон, английский зоолог Charles Sutherland Elton (1900 – 1991) Ввел 1927 «Трофическая ниша» Чарльз Элтон, английский зоолог Charles Sutherland Elton (1900 – 1991) Ввел понятие трофическая ниша (1927) (термины продуценты, консументы, редуценты, . . ) Ввел понятие пирамиды биомасс. Elton, Charles. 1927. Animal Ecology. Sidgewick and Jackson, London.

Трофические уровни – Продуценты (автотрофы -- организмы синтезирующие органические вещества на основе использования энергии Трофические уровни – Продуценты (автотрофы -- организмы синтезирующие органические вещества на основе использования энергии солнца) – Консументы [consume – потреблять, расходовать] гетеротрофы питающиеся живой и мертвой органической массой – Редуценты, [reducens лат. восстанавливающий] гетеротрофы, (грибы и бактерии), разрушающие органические остатки до неорганических составляющих – питательных веществ, доступных для использования продуцентами

 • Понятие «Экосистема» • Понятие «Экосистема»

Система – [буквальное значение] – целое, составленное из частей Целостное образование, состоящее из взаимодействующих Система – [буквальное значение] – целое, составленное из частей Целостное образование, состоящее из взаимодействующих частей, называемых элементами или компонентами системы. • Основное свойство системы – обладание качественно новыми свойствами по сравнению с исходными компонентами.

Явления Экосистема и биогеоценоз в значительной мере схожи В современном понимании явления Экосистема и Явления Экосистема и биогеоценоз в значительной мере схожи В современном понимании явления Экосистема и биогеоценоз включают три главных компонента: 1) компонент: Совокупность автотрофов 2) компонент: Совокупность гетеротрофов 3) окружающая среда (вся совокупность физических условий окружающей среды)

Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) • • Закончив учебу в Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) • • Закончив учебу в Кембридже, он провел 1901 – 1902 гг в тропиках: Цейлон и Малайский архипелаг. 1907 лектор по ботанике в Кембридже Основал и издавал журналы: New Phytologist and Journal of Ecology Первый президент основанного им Британского экологического общества 1925 -1927 учился психоанализу у Зигмунда Фреда. 1927 -1937 профессор ботаники Оксфордского университета. 1935 г. В труде «Правильное и неправильное использование ботанических терминов» , Тэнсли ввел термин «экосистема» . Так он обозначил, что совокупность организмов, обитающих в данном экотопе, является именно системой, с её составными элементами, с единой историей и со способностью к согласованному развитию. 1937 г. Тэнсли ушел на пенсию. В 1950 г. получил рыцарское звание.

Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) http: //www. wku. edu/ ~smithch/chronob/ Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) http: //www. wku. edu/ ~smithch/chronob/ TANS 1871. htm • • Life Chronology --born in London, England, on 15 August 171. --1889, 1893 -1895: takes classes at University College, London --1890: enters Trinity College, Cambridge; passes final exams in 1894 --1900 -1901: visits Ceylon and Malaya --1902: founds The New Phytologist and is its editor for thirty years (1902 -1931) --1907: becomes lecturer in botany at Cambridge --1911: edits/publishes Types of British Vegetation --1913: founds, and is first president of, the British Ecological Society --1915: admitted to the Royal Society --1917: founds, and is first editor of, the Journal of Ecology; continues as editor for twenty-one years --1923 -1924: resigns from Cambridge and studies with Sigmund Freud --1927 -1937: professor of botany at Oxford University --1929: attends the International Congress of Plant Sciences at Ithaca, New York --1935: publishes "The Use and Abuse of Vegetational Concepts and Terms" in Ecology --1937: retires --1939: publishes his The British Islands and Their Vegetation --1939: president, British Ecological Society --1941: awarded gold medal of the Linnean Society of London --1947: president of the Council for the Promotion of Field Studies --1949 -1953: chairman of the Nature Conservancy Council --1950: knighted --dies at Grantchester, Cambridgeshire, England, on 25 November 1955. For Additional Information, See: --Oxford Dictionary of National Biography, Vol. 53 (2004). --Taxonomic Literature, Vol. 6 (1986). --Journal of Ecology, Vol. 46 (1958): 1 -8. --Journal of Ecology, Vol. 65 (1977): 1 -26. --Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, Vol. 3 (1957).

1935 Экосистема Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) • Артур Тенсли 1935 Экосистема Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) • Артур Тенсли (1935 г. ) назвал экосистемой всю систему, включающую не только комплекс совместно обитающих организмов (автотрофов и гетеротрофов), но и весь комплекс физических факторов, составляющих то, что мы называем «окружающей средой» . Ecosystem: Term introduced by ecological botanist Sir Arthur George Tansley (1871 -1955) in 1935 to include. ". . . the whole system. . . including not only the organism-complex, but also the whole complex of physical factors forming what we call the environment. . . ". He meant it to be the basic unit of ecology. To some, ecosystems are individuals with strong emergent properties. http: //eesc. columbia. edu/courses/ees/life/lectures/lect 02. html A. G. Tansley. The Use and Abuse of Vegetational Concepts and Terms// Ecology, Vol. 16, No. 3. (Jul. , 1935), pp. 284 -307

Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. ) Сэр Артур Джордж Тенсли (1871 – 1955 гг. )

Определение экосистемы (Юджин Одум, 1975 г. ) • Любое единство, включающее все организмы (т. Определение экосистемы (Юджин Одум, 1975 г. ) • Любое единство, включающее все организмы (т. е. сообщество) на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы, представляет собой экосистему.

В современной литературе термин «экосистема» используется очень широко и можно выделить 3 основных иерархических В современной литературе термин «экосистема» используется очень широко и можно выделить 3 основных иерархических уровня: • микроэкосистема (разлагающийся ствол, лужа, аквариум и даже отдельный лист), • мезоэкосистема (~ 1 – 10 га: пруд, однородный участок леса = биогеоценоз), • макроэкосистема (Онежское озеро, тайга, биосфера).

Примеры микроэкосистемы – разлагающиеся стволы. Примеры микроэкосистемы – разлагающиеся стволы.

Примеры микроэкосистемы – разлагающийся пень. Примеры микроэкосистемы – разлагающийся пень.

Примеры микроэкосистемы – лишайники эпиксильные [растущие на древесине] Mycoblastus sanguinarius (L. ) Norman. Примеры микроэкосистемы – лишайники эпиксильные [растущие на древесине] Mycoblastus sanguinarius (L. ) Norman.

Примеры микроэкосистемы – лишайники эпигейные [напочвенные] Cladonia coccifera (L. ) Willd. В сухую погоду Примеры микроэкосистемы – лишайники эпигейные [напочвенные] Cladonia coccifera (L. ) Willd. В сухую погоду

Примеры микроэкосистемы – лишайники эпигейные [напочвенные] Cladonia coccifera (L. ) Willd. После дождя Примеры микроэкосистемы – лишайники эпигейные [напочвенные] Cladonia coccifera (L. ) Willd. После дождя

Примеры мезоэкосистем Примеры мезоэкосистем

Примеры мезоэкосистемы – березняк черничнозеленомошный (стадия восстановления темнохвойных лесов). Давность нарушения 70 лет. Примеры мезоэкосистемы – березняк черничнозеленомошный (стадия восстановления темнохвойных лесов). Давность нарушения 70 лет.

Примеры мезоэкосистемы – сосняк зеленомошнолишайниковый. Давность нарушения (пожара) – 160 лет. Примеры мезоэкосистемы – сосняк зеленомошнолишайниковый. Давность нарушения (пожара) – 160 лет.

Примеры макроэкосистем Примеры макроэкосистем

Пример макроэкосистемы – озеро Умбозеро, (Кольский полуостров) вдали – Хибины Пример макроэкосистемы – озеро Умбозеро, (Кольский полуостров) вдали – Хибины

Пример макроэкосистемы – Северный Ледовитый океан Пример макроэкосистемы – Северный Ледовитый океан

Компоненты экосистемы (по: Одум, 1975, с 16. ) 1. Автотрофный компонент (самостоятельно питающийся), для Компоненты экосистемы (по: Одум, 1975, с 16. ) 1. Автотрофный компонент (самостоятельно питающийся), для которого характерны фиксация световой энергии, использование простых неорганических веществ, построение сложных веществ 2. Гетеротрофный компонент (питаемый другими), для которого характерны утилизация, перестройка и разложение сложных веществ

Компоненты экосистемы (по: Одум, 1975, с 16. ) 1. Неорганические вещества (С, N, СО Компоненты экосистемы (по: Одум, 1975, с 16. ) 1. Неорганические вещества (С, N, СО 2, . Н 2 О, P, и т. д. ) 2. Органические соединения (белки, углеводы (целлюлоза, лигнин и т. д. ), липиды, гуминовые вещества), связывающие биотическую и абиотические части. 3. Климатический режим (температура и другие физические факторы) 4. Продуценты, автотрофные организмы, главным образом растения, способные создавать пищу из простых неорганических веществ; 5. Макроконсументы или фаготрофы, гетеротрофные организмы (преимущественно животные), которые поедают другие организмы или частицы органического вещества. 6. Микроконсументы, сапротрофы ( греч. cапро – разлагать) или осмотрофы (греч. осмо - проходить через мембрану) гетеротрофные организмы (преимущественно грибы и бактерии), разрушающие сложные органические соединения, поглощающие некоторые продукты разложения и высвобождающие неорганические вещества, доступные для использования продуцентами.

Компоненты экосистемы (по: Одум, 1975, с 17. ) с функциональной точки зрения, экосистемы целесообразно Компоненты экосистемы (по: Одум, 1975, с 17. ) с функциональной точки зрения, экосистемы целесообразно анализировать в следующих направлениях: 1. Потоки энергии 2. Пищевые цепи 3. Структура пространственно-временного разнообразия 4. Круговороты питательных элементов (биогеохимические круговороты) 5. Развитие и эволюция 6. Управление (кибернетика), менеджмент.

Термин «экосистема» в современное время даже в научной литературе употребляется очень вольно и имеет Термин «экосистема» в современное время даже в научной литературе употребляется очень вольно и имеет огромный спектр значений.

К примеру, • На одном из заседаний Отделения общей биологии Российской Академии Наук 20042005 К примеру, • На одном из заседаний Отделения общей биологии Российской Академии Наук 20042005 гг. выводом из научного доклада было следующее утверждение: • «человека надо рассматривать не как организм, а как экосистему, поскольку его существование невозможно без популяций еще 200 организмов бактерий, клещей, насекомых, … » Гамалей Ю. В [Член-корреспондент Российской академии наук, зав. Лаб. Экологической физиологии растений Ботанического института, выпускник ЛТА], личное сообщение (2005).

Даже у классика современной экологии Юджина Одума (1986, т 2. с. 90 ) • Даже у классика современной экологии Юджина Одума (1986, т 2. с. 90 ) • система эксперимента – банка с мукой, куда подсыпается по мере поедания мука, и популяция хрущей, живущая в этой банке – рассматривается, с точки зрения энергетики, как стабилизированная гетеротрофная экосистема.

При строгом определении Экосистема = Автотрофы + гетеротрофы+ окружающая среда. Если один из этих При строгом определении Экосистема = Автотрофы + гетеротрофы+ окружающая среда. Если один из этих компонентов отсутствует, явление нельзя рассматривать как экосистему (в обоих приведенных примерах слайды 30— 31 отсутствует автотрофный компонент).

Потоки энергии в экосистемах Потоки энергии в экосистемах

Потоки энергии и вещества в экосистемах (по: Одум, 1975; из: В. Г. Горшков, 1990, Потоки энергии и вещества в экосистемах (по: Одум, 1975; из: В. Г. Горшков, 1990, с изменениями) Гетеротрофы Автотрофы I R 0 B 0 p 0 + p 0 – R 1 p 1– B 1 r 1– p 1 + R 2 p 2 – B 2 p 2+ r 2– R 3 p 3 – B 3 r 3–

I – поток солнечной энергии B 0 , B 1 – биомасса фотосинтезирующих (0) I – поток солнечной энергии B 0 , B 1 – биомасса фотосинтезирующих (0) и нефотосинтезирующих (1) частей растений B 2 , B 3 – биомасса организмов второго и третьего трофических уровней (консументы первого и второго порядков) R 0 – световое дыхание растений R 1 – темновое дыхание растений R 2 , R 3– дыхание организмов 2 и 3 трофических уровней p 0+ – валовая первичная продукция p 1+ – чистая первичная продукция (экосистем и биогеоценозов) p 2+, p 3+ , … – продукция организмов 2 , 3, …трофических уровней pn– – потребление организмов трофического уровня n rn–– потоки неорганического вещества, сформировавшиеся в процессе деструкции органики p 0– – поток потребления неорганических веществ автотрофами.

Распределение продуктивности (энергии) по трофическим уровням Автотрофы p 0 100% p 1 40% Гетеротрофы Распределение продуктивности (энергии) по трофическим уровням Автотрофы p 0 100% p 1 40% Гетеротрофы p 2 4% p 3 0. 4% p 4 0. 04% • Растения расходуют на обеспечение своей жизнедеятельности 40 – 70% валовой продукции фотосинтеза. • Начиная с 1 трофического уровня при переходе на следующий соотношение продукции составляет ~10: 1.

Первичная продуктивность p 1 + (первичная продукция) экосистем (биогеоценозов) – скорость производства органического вещества Первичная продуктивность p 1 + (первичная продукция) экосистем (биогеоценозов) – скорость производства органического вещества автотрофным компонентом (растениями) экосистем кг м– 2 с– 1 [в международной системе единиц СИ] т га– 1 год– 1 [наиболее часто употребляемые единицы]

Вторичная продуктивность экосистем + , p + – скорость (биогеоценозов) p 2 3 производства Вторичная продуктивность экосистем + , p + – скорость (биогеоценозов) p 2 3 производства органического вещества организмами второго, третьего … трофических уровней. Чистая вторичная продуктивность ненарушенных (естественных) экосистем составляет ~10 – 4 и депонируется в нижних горизонтах почв или донных отложениях океанов.

Пищевые цепи: • Перенос энергии пищи от ее источника (растений) через ряд организмов, происходящий Пищевые цепи: • Перенос энергии пищи от ее источника (растений) через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью. (Одум, 1975). цепью

Пастбищные цепи • Прямое потребление (выедание) живой биомассы консументами 1 порядка. Продуценты Консументы 1 Пастбищные цепи • Прямое потребление (выедание) живой биомассы консументами 1 порядка. Продуценты Консументы 1 Консументы 2 Растения растительноядные хищники

Пастбищные цепи • Начинаются с прямого потребления (выедания) живой биомассы консументами 1 порядка. СОВРЕМЕННОЕ Пастбищные цепи • Начинаются с прямого потребления (выедания) живой биомассы консументами 1 порядка. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ • Луга Коровы Люди

Детритные цепи I (по Одум, 1978) Мертвая биомасса [микроорганизмы] детритофаги хищники дождевые черви Грач, Детритные цепи I (по Одум, 1978) Мертвая биомасса [микроорганизмы] детритофаги хищники дождевые черви Грач, Corvus frugilegus L.

Детритные цепи II Мертвая биомасса Грибы, Бактерии Детритная сукцессия (из Бигон и др, 1989). Детритные цепи II Мертвая биомасса Грибы, Бактерии Детритная сукцессия (из Бигон и др, 1989). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Встречаемость групп видов грибов на сосновой хвое в разных слоях лесной подстилки в сообществах сосны обыкновенной в Англии (по Richards, 1974)

Пищевые сети В естественных сообществах пищевые цепи тесно переплетены и образуют пищевые сети. Важнейшие Пищевые сети В естественных сообществах пищевые цепи тесно переплетены и образуют пищевые сети. Важнейшие пищевые цепи американской прерии (по Риклефс, 1978)

Алимов Александр Федорович (род. в 1933 г. ) Академик РАН, доктор биологических наук, профессор. Алимов Александр Федорович (род. в 1933 г. ) Академик РАН, доктор биологических наук, профессор. Директор Зоологического института РАН с 1990 по 2006. Заведующий лабораторией пресноводной и экспериментальной гидробиологи. Научные интересы: - экология, продукционная гидробиология, - структура и функционирование популяций, сообществ, экосистем континентальных водоемов; - теория функционирования водных экосистем.

Пищевые сети экосистемы северных морей для сельди (Clupea harengus) (по: Алимов, 1989) Пищевые сети экосистемы северных морей для сельди (Clupea harengus) (по: Алимов, 1989)

Экологические пирамиды Пирамида продуктивности (энергии) Следствие закона сохранения Энергии Консументы 3 Консументы 2 Консументы Экологические пирамиды Пирамида продуктивности (энергии) Следствие закона сохранения Энергии Консументы 3 Консументы 2 Консументы 1 Продуценты 1 10 1000

 • Концентрирование ядов по пищевой цепи • Существуют особые группы веществ, которые слабо • Концентрирование ядов по пищевой цепи • Существуют особые группы веществ, которые слабо разлагаются в биохимических процессах и слабо выводятся из организма. В результате происходит накопление этих веществ по пищевой цепи. Это: • пестициды на основе ДДТ, • тяжелые металлы Hd, Cd, Ni, Pb и др. , • долгоживущие радиоактивные изотопы. • • Соотношение Масса накопление ядов Консументы 3 1 1000 Консументы 2 10 100 Консументы 1 100 10 Продуценты 1000 1

Заключение по пищевым цепям и сетям. • Пищевые цепи и пищевые сети дают очень Заключение по пищевым цепям и сетям. • Пищевые цепи и пищевые сети дают очень приближенное и крайне схематичное представление об экосистемах. • Корректно проанализировать долю потребления тех или иных видов растений и животных консументами 1 и 2 -го порядка можно при помощи прямых наблюдений и на основании анализа содержимого желудков и экскретов. • Однако, основная часть энергетических потоков проходящих на микроскопическом уровне остается за рамками анализа.

Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , 2000) Ось y – доля потребления на единичный логарифмический интервал В ненарушенных человеком сообществах 90% первичной продукции потребляют организмы размером 10 – 4 – 10 – 2 см – микроорганизмы – грибы, бактерии, одноклеточный зоопланктон ~10% первичной продукции потребляют организмы размером 10 – 2 – 1 см –насекомые, черви, мелкий планктон. ~1% первичной продукции потребляют организмы размером >1 см – крупный планктон (криль 1 – 6. 5 см), позвоночные в т. ч. млекопитающие Ось х – размер, см (объем 1/3)

Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , 2000) 90% первичной продукции потребляют организмы размером 10 – 4 – 10 – 2 см – микроорганизмы – грибы, бактерии, одноклеточный зоопланктон

Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , 2000) ~10% первичной продукции потребляют организмы размером 10 – 2 – 1 см – насекомые, черви, мелкий планктон.

Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов (по V. G. Gorshkov et. all. , 2000) ~1% первичной продукции потребляют организмы размером >1 см – крупный планктон (криль 1 – 6. 5 см), позвоночные в т. ч. млекопитающие

 Почему так? • Биомасса собирается животными с большой территории, а экскреты, содержащие все Почему так? • Биомасса собирается животными с большой территории, а экскреты, содержащие все биогены, концентрируются в локальных участках.

 Почему так? • Скорость физической диффузии и скорость биологических механизмов перераспределения биогенов из Почему так? • Скорость физической диффузии и скорость биологических механизмов перераспределения биогенов из экскретов крупных животных позволяют рассчитать предел потребления крупных животных, составляющий ~ 1% (по V. G. Gorshkov et. all. , 2000)

 • Необходимо отметить, что доля потребления крупных организмов на суше существенно меняется в • Необходимо отметить, что доля потребления крупных организмов на суше существенно меняется в процессе восстановительной динамики сообществ. • На ранних этапах восстановления (давность нарушения ~5 – 50 лет) численность животных и доля их потребления в ~10 раз выше, чем в стационарных (климаксовых) сообществах (с давностью нарушения более 150 лет).

 • Это явление издавна использовалось человеком при ведении охотничьего хозяйства. • Охотничьи племена • Это явление издавна использовалось человеком при ведении охотничьего хозяйства. • Охотничьи племена Североамериканских индейцев периодически выжигали леса на своих территориях для поддержания и повышения численности крупных животных. • http: //www. auburn. edu/academic/forestry_wildlife/longleafalliance/teachers/newmenu 3_r 2_c 1. gif • Source: Pyne, Stephen J. 1982. Fire in America: A Cultural History of Wildland Rural Fire.

 • В современное время ЧЕЛОВЕК полностью занял нишу крупных (>1 см) организмов и • В современное время ЧЕЛОВЕК полностью занял нишу крупных (>1 см) организмов и почти полностью – нишу организмов размером 10 – 2 – 1 см.

Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов Ось y – доля потребления на единичный Распределение потребления первичной продукции по размерам организмов Ось y – доля потребления на единичный логарифмический интервал (по V. G. Gorshkov et. all. , 2000) Ненарушенная биота (желтый цвет) Доля потребления человека (красный цвет) Ось х – размер, см (объем 1/3)