ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Профессор Соловьянов Александрович (Часть 1 - Биосфера) AASOLOVIYANOV@MAIL. RU
Термин "экология" впервые в научном обиходе появился около ста сорока лет назад в трудах немецкого биолога Эрнста Геккеля (18341919). Экология – от греческого «эйкос» (или «ойкос» ) – дом. То есть дословно экология – наука о доме.
Первоначальное содержание экологии касалось изучения взаимоотношения различных животных с неорганической и органической природной средой, в частности: круговорота различных веществ в природе; вопросов воспроизводства растительных и живых организмов; обратимых и необратимых изменений, происходящих со средой обитания, где происходит жизнедеятельность различных организмов.
Классики экологии (биологии) Жан-Батист Ламарк (1744 – 1829) в монографии «Гидрология» дал первые представления о биосфере как области жизни и оболочке Земли Э. Зюсс (1831 – 1914) в 1875 году ввел в употребление термин «биосфера» как тонкую пленку жизни на поверхности Земли, в значительной мере определяющую лик планеты Т. Мальтус в 1798 году вывел уравнения экспоненциального роста популяций как основу демографических концепций Юстас Либих в начале двадцатого столетия ввел понятие лимитирующего фактора среди экологических факторов К. Мебиус и С. Форбст в конце девятнадцатого века положили основу создания концепции биоценоза Ч. Чарлтон в 1927 году выпустил первую монографию по экологии А. Тенсли в 1935 заложил понятие «экосистемы» В. Н. Сукачев в начале 40 -х годов обосновал концепцию биогеоценоза В. И. Вернадский (1863 – 1945) обосновал роль живого вещества как наиболее мощного геохимического и энергетического фактора в планетарном развитии
Существуют три основные ветви экологии Первая ветвь – общая экология, которую называют биоэкологией. Биоэкология занимается изучением взаимоотношений живых организмов и экологических систем разных рангов со средой и между собой. Вторая ветвь – геоэкология или факториальная экология. Геоэкология занимается изучением геосфер, их динамики и взаимодействия, геофизических условий жизни, факторов неживой природы, действующих на организмы. Третья ветвь – прикладная экология. Прикладная экология занимается изучением вопросов инженерной, социальной, экономической охраны среды обитания (окружающей среды), изучением проблем взаимоотношений природы и общества.
Экология Аутэкология Демэкология Синэкология
В «биологической» экологии можно выделить, в свою очередь, три основных раздела – аутоэкологию, демэкологию и синэкологию Аутэкология (от греческого АУТОС - сам) изучает взаимодействие отдельного организма со средой его обитания (образ жизни, взаимодействие с отдельными элементами окружающей среды, поведение этого живого организма и т. п. ). Демэкология изучает взаимоотношения между организмами и окружающей средой на уровне группы особей одного вида. Синэкология ( от греческого СИН - вместе) изучает взаимодействие сообществ различных организмов между собой и с окружающей средой.
Биосфера (от греческого биос - жизнь) – область существования живого вещества (живых организмов). В этой области живые организмы потребляют все необходимые для своего существования вещества и энергию. Здесь же происходит выделение продуктов их жизнедеятельности и размещение их останков. Понятие “Биосфера” без самого употребления этого термина было сформулировано в начале 19 века Жаном-Батистом Ламарком. Впервые в научную литературу термин «биосфера» ввел в 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс, понимая под ним область взаимодействия основных оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.
Вещество биосферы состоит по Вернадскому В. И. “из семи глубоко разнородных природных частей”: 1. Совокупность живых организмов (живое вещество); 2. Биогенное вещество, созданное и перерабатываемое жизнью и являющееся источником энергии (каменный уголь, нефть, торф и т. д. ); 3. Косное вещество (твердое, жидкое и газообразное. . . ), “образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует”; 4. Биокосное вещество - создается “одновременно живыми организмами и косными процессами”, например вода, почва, кора выветривания и т. д. (организмы играют главнейшую роль); 5. “Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. . . Мы здесь имеем дело с химическими элементами сложного изотопного состава, пронизывающими все вещества биосферы и идущими внутрь. . . ”; 6. Рассеянные атомы, “которые непрерывно создаются из всякого рода земных веществ под влиянием космических излучений”; 7. Вещество космического происхождения.
К природным (физико-химическим) условиям, определяющим границы биосферы, относятся: 1. содержание кислорода и углекислого газа; 2. содержание влаги (воды), обеспечивающей развитие живых организмов; 3. термический режим, исключающий денатурацию молекул, составляющих тело живого организма; 4. давление; 5. интенсивность солнечного и других видов излучения.
Достаточность количества кислорода и углекислого газа Известно, что в Гималаях зона зеленой растительности достигает высоты 6200 метров, однако живые организмы могут встречаться и выше. Различные виды насекомых (пауки, ногохвостки, некоторые виды клещей), которые питаются заносимыми ветром органическими остатками, встречаются выше зоны зеленой растительности. Еще выше живые организмы могут оказаться только случайно, и, скорее всего, они там выжить не могут. Для анаэробных организмов потребность в кислороде отсутствует.
Количество влаги, обеспечивающее развитие живых организмов В пустынях Африки под слоем песка встречаются насекомые, которые могут обходиться без атмосферной и почвенной влаги. Они получают ее только с пищей, которая доставляется чаще всего по воздуху.
Благоприятный термический режим Есть виды бактерий, которые живут на снегу в Арктике и в скальных породах Антарктиды при температурах до -800 С, а также в подземных водах при +1000 С. В гидротермах дна океана на глубинах до 3000 метров обнаружены организмы, выдерживающие температуры около +2500 С градусов.
Атмосферное давление На высоте 7500 - 8000 метров над уровнем моря жизнь встречается крайне редко из-за низкого атмосферного давления. Наиболее зависимы от атмосферного давления птицы и летающие насекомые - для большинства из них верхней границей является высота 1000 метров, хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить на высотах 4000 5000 метров. С другой стороны, жизнь существует при сверхвысоких давлениях на дне океана до глубины 11. 022 метра (в Марианской впадине).
Интенсивность солнечного и других видов излучения Для зеленых растений необходимым условием существования является солнечное излучение в диапазоне, обеспечивающим фотохимический синтез. Причиной отсутствия водорослей в водоемах на большой глубине является поглощения солнечного света водой. Жесткое ультрафиолетовое излучение и проникающая радиация приводят к гибели живых организмов.
Классификация биосфер Биосферы можно классифицировать в зависимости от: 1. расположения над уровнем моря (на самом деле от атмосферного давления и концентрации кислорода) 2. среды, в которой существуют живые организмы 3. эпохи (времени), в которой существуют (существовали) живые организмы
Виды биосфер в зависимости от расположения над уровнем моря (земли): педосфера (часть аэробиосферы) – основная область существования живого вещества над уровнем земли (в пределах нескольких десятков метров) апобиосфера – область, где живое вещество в обычных условиях отсутствует (приблизительно выше 20 км от уровня земли) парабиосфера – область, где живое вещество существует в «спящем состоянии» , например в виде спор (приблизительно в интервале 8 – 20 км от уровня земли)
Виды биосферы в зависимости от эпохи (времени) существования живых организмов. Современная биосфера или необиосфера - биосфера, где живые организмы встречаются в настоящее время. Былая биосфера или палеобиосфера (или метабиосфера) область, где ранее существовали живые организмы и оставили следы своего существования. Примером палеобиосферы является скопление органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др. ) или запасы других веществ, образовавшихся при участии живых организмов (известняки, ракушечники, некоторые руды).
Виды биосферы в зависимости от среды, в которой находится живое вещество: аэробиосфера (педосфера) - нижняя часть атмосферы гидробиосфера – живое вещество в гидросфере литобиосфера - верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки)
Для живого вещества биосферы характерны следующие свойства: 1. стремление заполнить все пространство (давление по Реймерсу и всеядность по Вернадскому); 2. произвольное перемещение в пространстве; 3. наличие специфических химических соединений ( в живом веществе насчитывается более 2, 5 миллионов органических соединений, тогда как в неживом – только около 2 тысяч. ); 4. разнообразие форм; 5. высокая скорость протекания химических реакций; 6. высокая скорость обновления живого вещества (за всю историю существования Земли общая масса вещества, прошедших через биосферу, в 12 раз превысила массу Земли).
Для живого вещества биосферы характерны следующие функции: энергетическая; газовая; окислительно-восстановительная; рассеивающая; концентрационная; деструктивная; средообразующая; транспортная. В живом веществе насчитывается более 2, 5 миллионов органических соединений, тогда как в неживом – только около 2 тысяч.
Круговорот веществ в природе приводит к тому, что полная замена происходит: для живого вещества за 8 лет; для наземных растений за 14 лет; для воды в гидросфере за 2800 лет; для кислорода в атмосфере за несколько тысяч лет; для диоксида углерода за 63 года.
Организмы Живой организм - дискретная открытая самовоспроизводящаяся система, связанная со средой обменом веществ, энергии и информации. Отличительной особенностью организмов является способность к саморегуляции - сохранению своего строения, химического состава, физических свойств. Гомеостаз (от греческого гомео - то же и стасис - состояние) состояние подвижного равновесия в организме, устойчивость, сбалансированность происходящих в нем процессов обмена веществом и энергией между всеми его компонентами и внешней средой. Несмотря на разнообразие живых организмов, в природе существует определенная система питания и соответствующая ей структура взаимодействия организмов между собой, повторяющаяся в различных географических районах и природных средах.
С учетом особенностей ассимиляции (усвоения) вещества и энергии различают определенные категории организмов. Первая крупная категория организмов - автотрофы или “самопитающиеся” Относящиеся к автотрофам организмы, в основном зеленые растения, создают первичное органическое вещество, продуцируя (производя) его из неорганического, и называются также продуцентами. Продуценты – организмы, создающие органическое вещество из неорганического вещества. Из биогенов (веществ, необходимых для существования живых организмов), получаемых из почвы и воды, растения синтезируют все сложные вещества, составляющие их организм. Продуценты очень многообразны - это и микроскопические одноклеточные водоросли, и средних размеров злаки и кактусы, а также гигантские деревья.
Вторая крупная категория организмов – гетеротрофы. Гетеротрофы - “питаемые другими” Гетеротрофы извлекают энергию за счет окисления получаемого извне готового органического вещества. Гетеротрофы подразделяются на две большие группы Консументы (от латинского консумо - потреблять), организмы, концентрирующие поток энергии в экосистемах Редуценты (от латинского редуцио - возвращать) или деструкторы – организмы, разлагающие (минерализующие) сложные органические молекулы на более или менее простые неорганические соединения, которые затем используют продуценты.
Консументы в зависимости от характера питания (вида жертвы) делят на: 1. фитофаги - растительноядные 2. хищники - плотоядные 3. эврифаги – всеядные Консументы в зависимости от предпочтения в питании делят на: 1. монофаги - организмы, питающиеся одним видом жертв 2. олигофаги - организмы, питающиеся ограниченным числом видов жертв 3. полифаги – организмы, питающиеся многими видами жертв Монофаги и олигофаги объединяет термин специалисты, а полифаги – термин универсалы.
Монофагами, олигофагами и полифагами могут быть как растительноядные организмы, так и истинные хищники. Среди истинных хищников доминируют организмы с широким спектром питания (олигофаги). Примеры монофагов среди хищников редки. Среди хищников – монофагов известен коршун-слизнеед, который питается исключительно слизнями рода Pomacea.
Консументы подразделяют на ряд групп или на “порядки” Консументы первого порядка (или первичные) – фитофаги Консументы второго порядка (или вторичные) - организмы, питающиеся консументами первого порядка. Консументы третьего порядка - организмы, питающиеся консументами второго порядка Консументы четвертого порядка - ………и так далее Консументы, начиная со второго порядка и выше, могут быть как хищниками, так и эврифагами.
В процессе питания образуются отходы. Многие растения ежегодно сбрасывают листву, отмирает часть их веток. Часть организмов погибает. Все созданное органическое вещество должно минерализоваться, или разлагаться на более или менее простые неорганические соединения. Это происходит благодаря наличию особых организмов. Такие организмы называют редуцентами (от латинского редуцио - возвращать) или деструкторами. Поскольку мертвые растительные и животные остатки называют детритом, а питающиеся ими организмы – детритофагами, то детритофаги одновременно являются и редуцентами. Детритофагами являются грибы и многие бактерии.
Температура и организмы Гомойтермные организмы – организмы, которые при изменении внешних условий поддерживают температуру своего тела приблизительно на постоянном уровне. Иногда их называют теплокровными организмами. Пойкилотермные организмы – организмы, температура тела которых меняется с изменением температуры окружающей среды. Их иногда называют холоднокровными организмами.
Все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов. Поедающий организм, в независимости от вида пищи, является хищником или, точнее, «обобщенным хищником» . Соответственно, «обобщенный хищник» поедает пищу - «обобщенную жертву» . Пищевые связи хищника и жертвы являются важнейшим видом взаимоотношений между организмами. Пищевая цепь (трофическая цепь) - последовательность организмов, в которой каждый съедает или разлагает другой. Пищевая цепь - это путь движущегося через живые организмы однонаправленного потока поглощенной при фотосинтезе малой части высокоэффективной солнечной энергии, поступившей на Землю.
Трофический уровень - каждое звено пищевой цепи Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами. Организмы второго трофического уровня - первичные консументы, третьего - вторичные консументы и т. д. Существует два главных типа пищевых цепей - пастбищные (или “выедания”) и детритные (или “разложения”). Пастбищная цепь начинается с автотрофа (продуцента). Детритная цепь начинается с детрита (погибшего организма или его части).
В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй - пастбищные животные (тот, кто ест растения), а третий – хищники (или эврифаги): нектар муха паук землеройка сова Детритная пищевая цепь начинается с детрита по схеме: детритофаг листовая подстилка леса дрозд хищная птица дождевой червь черный ястреб-перепелятник Пищевые цепи в реальной ситуации переплетаются, образуя сложную сетку, которая может трансформироваться во времени в зависимости от изменения внешних условий.
Чайка Медведь Рыба Птица Крот Дождевой червяк Человек Землеройка Еж
Закон пирамиды энергий или правило 10% Линдемана - с одного трофического уровня на другой, более высокий (по лестнице продуцент – консумент - редуцент), переходит в среднем около 10% энергии, поступивший на предыдущий уровень. Правило накопления токсических веществ (биотического усиления) - в среднем концентрация вредного вещества в каждом последующем звене трофической цепи примерно в 10 раз выше, чем в предыдущем.
Биологический вид - качественно обособленная форма живого вещества, основная единица эволюционного процесса. Биологический вид - совокупность популяций особей: - способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства; - населяющих определенный ареал; - обладающих рядом общих морфо- и физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой; и - отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных форм. Биологический вид является: - основной структурной единицей в системе живых организмов; - качественным этапом их эволюции; - основная таксономическая категория в биологической систематике. В пределах вида различают полувиды, подвиды, экотипы, популяции и микропопуляции.
Ареал - границы распространения вида Местообитание - пространственно ограниченная совокупность условий среды (абиотической и биотической), обеспечивающая весь цикл развития и размножения особей (или группы особей) одного вида.
Популяция - это минимально самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу. Популяция - первая надорганизменная структурная единица вида. Основные экологические характеристики популяции: 1. величина – число особей или занимаемое пространство (площадь); 2. плотность - число особей на единицу занимаемой площади; 3. структура – число особей определенного возраста, пола, веса и т. д. 4. динамика – изменение общего числа особей, соотношения полов, возраста, веса и т. д.
Скачать презентацию ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Профессор Соловьянов Александрович Часть 1 —
Экология - слайды к первой части курса.ppt