Лекция 3 n Популяции n Биотические сообщества Экологическая

Лекция 3 n Популяции n Биотические сообщества Экологическая система (биогеоценоз) n

Важнейшая функция популяции – обеспечение выживания организмов составляющего ее вида и воспроизведение вида в конкретных условиях. n Процесс воспроизводства носит непрерывный характер, выражающийся в смене отдельных индивидов внутри популяции, и поэтому при оптимальных условиях жизнедеятельности существование популяции может продолжаться неограниченно долго – популяция бессмертна как структурная единица. Например, некоторые виды организмов на планете существуют уже сотни миллионов лет (крокодилы, черепахи, синезеленые водоросли и т. п. ).

Пространственное распределение особей в популяциях n n n случайное групповое равномерное

Продолжительность жизни n n Физиологическая, обусловленная только физиологическими возможностями организма Максимальная – до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды

Типы роста численности n Гиперболический n n 0 t* Время, t

Экспоненциальный рост (Мальтузианский, неограниченный) n n 0 Время, t

n Логистический n III К II I n 0 t

n Рост с ограничением n K n 0 Время, t

Периодические колебания численности n t

• Колебания численности n Затухающая осцилляция n t

Выживаемость Число особей Кривые выживания Дрозофила Гидра Устрица Время

Биотический потенциал b – рождаемость d – смертность r может быть максимальным, минимальным или экологическим. Максимальное значение биотического потенциала (мальтузианский параметр) проявляется лишь в оптимальных условиях и зависит от физиологических способностей данного биологического вида. Мальтузианский параметр биологического вида можно определить также как врожденную скорость увеличения численности его естественных популяций.

Экологическая стратегия выживания – стремление организмов к выживанию К - стратегия (k-отбор) (направлен на повышение выживаемости в условиях уже стабилизировавшейся численности); (k – стратеги, равновесные популяции) Большинство крупных млекопитающих n r - стратегия (определяется отбором , направленным на повышение скорости роста популяции) (r – стратеги, оппортунистические популяции) Большинство растений, одноклеточные организмы, грибы n

Стабильность популяций и причины ее нарушения n n Стабильной называется такая популяция, которая : находится в благоприятных условиях, близких к оптимальным; имеет высокий биотический потенциал, близкий к максимальному, но не достигает его максимального его значения. Среди причин, приводящих к нарушению стабильности популяций, прежде всего, следует отметить следующие: Естественные. К ним относятся: резкие изменения климатических факторов, геомагнитные отклонения, цикличность солнечной активности и др. Антропогенные. Среди них наиболее значимы: чрезмерная интенсивность изъятия особей, разрушение естественных мест обитания, вселение видов в новые условия, загрязнение среды обитания.

Экологическая ниша организма это совокупность всех требований организма к условиям среды обитания и место, где эти требования удовлетворяются n Местообитание – это пространственно ограниченная совокупность условий абиотической и биотической среды, обеспечивающая весь цикл развития особей одного вида n Экологическая ниша включает в себя следующие основные компоненты: - пространственное размещение вида - зона толерантности вида к различным экофакторам - место биологического вида в пищевой цепи - роль вида в межвидовых взаимодействиях - роль вида в создании и переносе органического вещества - значение вида для биоценоза n

Схема экологической ниши организма Р Н C С W T T X

Правило экологической ниши: два близкородственных вида не могут занимать одну и ту же экологическую нишу. Принцип конкурентного исключения (принцип Гаузе, 1934 год) Две равноправные формулировки: 1. Два вида с одинаковыми экологическим потребностями не могут сосуществовать длительное время, один из них будет неизбежно вытеснен. 2. Сосуществование между полными конкурентами невозможно

Экологическая диверсификация - это процесс разделения экологических ниш. Экологическая диверсификация в биотических сообществах происходит в основном по трем направлениям: • Пространственное разделение. Например, образование вертикальной ярусности в лесных биоценозах. • Разделение по пищевому рациону. К примеру, известны два вида бакланов, сосуществование которых в пределах одного ареала стало возможно ввиду различий в пищевом рационе. • Распределение активности по времени суток. Так, например, существуют дневные и ночные хищники.

Жизненная форма n Группа видов (как систематически близких, так и далеких) со сходными приспособительными структурами для обитания в одинаковых условиях среды

Экосистема n любая биосистема, включающая все совместно функционирующие организмы 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

Биогеоценоз n совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений, имеющая свою особую специфику взаимодействия слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы, представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии

Схема биогеоценоза Атмосфера (климатоп) Почвогрунт (эдафотоп) Растительность (фитоценоз) экотоп Животный мир Микроорганизмы (микробоценоз) (зооценоз) биоценоз

Структурный тип сообщества n это распределение организмов в пространстве и их взаимодействие с внешней средой Количество видов в сообществе зависит от условий внешней среды и определяется законом Тинемана

Закон Тинемана n n чем разнообразнее условия существования в пределах биотопа, тем больше видов в данном биоценозе чем больше отклоняются от нормы (оптимума) условия существования в пределах биотопа, тем беднее видами становится биоценоз и тем многочисленнее каждый вид

Структура биоценоза строится из следующих основных компонентов: § § § вертикальная ярусность горизонтальная неоднородность (мозаичность) периодичность во времени (суточная и сезонная) пищевые цепи и пищевая сеть типы взаимодействий между популяциями

Первый ярус Второй ярус Третий ярус Живой напочвенный покров (4, 5, 6 ярус) Упрощенная схема вертикальной ярусности в лесном биоценозе

Нейстон – организмы, обитающие у поверхности (ряска, водомерки…) Компенсационный горизонт Планктон, нектон - ракообразные, амфибии, рыба (фито- и зоопланктон) Бентос – донные организмы (моллюски, личинки насекомых Проявление вертикальной ярусности в водных биоценозах (литоральная зона, лимническая зона, профундальная зона)

Понятие о доминировании Доминант – это один или несколько видов организмов, преобладающих в биоценозе по следующим признакам: 1. 2. 3. Количество особей Количество биомассы Выполняемые функции

Свойства экосистем n n n Эмерджентность Принцип необходимого разнообразия Саморегуляция (благодаря гомеостазу) Равновесие Стабильность (определяется резистентной или упругой устойчивостью систем)

Гомеостаз - способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять равновесие Верхний предел положительной обратной связи Гомеостатическое плато Область отрицательной обратной связи Гибель Нижний предел положительной обратной связи (-) 0 (+) Стресс Гибель

Сукцессия n n последовательная смена биоценозов, приемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов или воздействии человека Термин введён Ф. Клементсом для обозначения сменяющих друга во времени сообществ, образующих сукцессионный ряд (серию), где каждая предыдущая стадия (серийное сообщество) формирует условия для развития последующего.

Сукцессия (развитие экосистем) Начало: стадия первых поселенцев. n Автотрофная сукцессия, если П>Д n Гетеротрофная сукцессия, если П<Д n Климаксная стадия, при П=Д Также различают первичную (оползень, обвал, отмель, измененное русло, искусственное водохранилище) и вторичную (следствие деятельности человека: вырубка леса, эвтрофикация водоема) сукцессии

Классификации сукцессий n n n n по масштабу времени (быстрые, средние, медленные, очень медленные) по обратимости (обратимые и необратимые) по степени постоянства процесса (постоянные и непостоянные) по происхождению (первичные и вторичные) по тенденциям изменения продуктивности (прогрессивные и регрессивные) по тенденции изменения видового богатства (прогрессивные и регрессивные) по антропогенности (антропогенные и природные) по характеру происходящих во время сукцессии изменений (автотрофные и гетеротрофные)

Пищевая (трофическая) цепь n n n Пастбищная [выедания](начинается с растений и тянется к растительноядным животным и хищникам) Детритная [разложения](перенос энергии от мертвого органического вещества к микроорганизмам, детритофагам и хищникам) Цепи паразитов

Продуценты и консументы

Трофические уровни зимний анабиоз

Примеры пищевых цепей трава – заяц – лиса растения – кузнечики – лягушки – змеи - совы водоросли – рачки – салака – треска - тюлень планктон – моллюски – рыбы – человек Пример прерывания трофической цепи: 1) уничтожение москитов с помощью ДДТ в Индонезии 2) «война» с воробьями в Китае Принцип биологического накопления (ДДТ) Пример переноса загрязнения по трофической цепи: 1) болезнь «Минамата» (CH 3 Hg. Cl) 2) болезнь «итаи-итаи»

Лекция 4 - Энергетика экосистем (биогеоценоза) - Экологические пирамиды

Пример пищевой сети

Продуктивность экологической системы n cкорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в качестве пищи

Первичная продукция - это органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени Вторичная продукция - это прирост за единицу времени массы консументов

Поток энергии через типичную пищевую цепь

Поток энергии через пастбищную цепь

Понятие о продуктивности биогеоценоза n n Валовая первичная продуктивность (ВПП) Чистая первичная продуктивность (ЧПП) Вторичная продуктивность Чистая продуктивность сообщества

Правило Линдемана при переходе энергии с одного трофического уровня на другой экологическая эффективность составляет примерно 10%. Число звеньев в пищевой цепи En - энергия, дошедшая до консумента n–го порядка N – количество растительной биомассы Эn – экологическая эффективность организмов на n-ом трофическом уровне

Виды экологических пирамид n пирамида чисел n пирамида биомасс n пирамида энергии

Экологические пирамиды n Пирамиды чисел Человек 1 Телята (4, 5 особей) Люцерна 2 х107 шт

n Пирамиды биомассы Человек 4, 72 х 104 гр Телята 9, 62 х 105 гр Люцерна 8, 03 х107 гр

n Пирамиды энергии Человек 4, 72 х 104 Ккал. Телята 9, 62 х 105 Ккал. Люцерна 6, 3 х107 Ккал. Солнечная энергия 6, 3 х 1010 Ккал.

Упрощённый вариант экологической пирамиды

Пример сезонного изменения в пирамиде биомассы

Энергетические типы экологических систем n n Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые другими естественными источниками Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком Индустриально-городские системы, движимые топливом

Классификация природных экосистем биосферы (по Ю. Одуму) n n n Наземные биомы Типы пресноводных экосистем Типы морских экосистем

Наземные биомы n n n n n Тундра (арктическая и альпийская) Бореальные хвойные леса Листопадный лес умеренной зоны Степь умеренной зоны Тропические степи и саванны Чапарраль ( районы с дождливой зимой и засушливым летом) Пустыня (травянистая и кустарниковая) Полувечнозеленый тропический лес (выраженный влажный и сухой сезоны) Вечнозеленый тропический дождевой лес

Типы пресноводных экосистем n n n Лентические (lentes – спокойный) Лотические (lotus – омывающий) Заболоченные угодья

Типы морских экосистем n n Открытый океан (пелагическая) Воды континентального шельфа (прибрежные воды) Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством) Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т. д. )

Этапы изменения биосферы человеком - воздействие человека на биосферу как обычного биологического вида - сверхинтенсивная охота без изменения экосистем - изменение экосистем через пастьбу, выжигание трав и т. п. - интенсификация влияния на природу путем распашки и широкой вырубки лесов - глобальное изменение биосферы

Воздействие человека на биосферу – 4 главные формы n n изменение структуры земной поверхности изменение состава биосферы, круговорота и баланса веществ изменение энергетического баланса изменения, вносимые в биоту

Противодействие природной среды на оказанное действие n n Устойчивость среды (способность к самосохранению и регуляции) Эластичность среды (способность изменять состояние и возвращаться к исходному) Инерция среды (способность адсорбировать без изменения своего состояния чужеродные воздействия внешних факторов) Допустимые пределы изменения среды

Параметры, характеризующие реакцию природной среды на воздействие n n n Возмущения в среде (временные случайные или периодические обратимые изменения ОС) Загрязнения среды (накопление в ОС посторонних примесей, превышающих ее природную способность к самоочищению) Аномалии в среде (локальные устойчивые количественные отклонения от фоновых значений состояния природной среды, связанные с местными особенностями)

Центры дестабилизации ОС n n n Североамериканский центр (естественные системы занимают менее 10% территории ) Европейский центр (естественные системы занимают 1 -8% территории ) Азиатский центр (естественные системы занимают менее 5% территории )

Центры стабилизации биосферы n n n Северный Евроазиатский центр Североамериканский центр Южноамериканский центр Австралийский центр Мировой океан с сохранившимися естественными системами

Загрязнение окружающей среды - любое внесение в экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная экосистема разрушается или снижается ее продуктивность