ТЕМА ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМНОЙ ЭКОЛОГИИ ПОНЯТИЕ ЭКОСИСТЕМА впервые

ТЕМА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМНОЙ ЭКОЛОГИИ ПОНЯТИЕ ЭКОСИСТЕМА впервые выдвинул Артур Джорж Тенсли в 1935 г Экологическая система – взаимосвязанная единая функциональная совокупность организмов и среды их обитания Рис. 1. Пресноводное озеро на одном из островов Канарского архипелага как пример экосистемы (соседствует и взаимодействует с экосистемами окружающего её леса и другими экосистемами)

Термин БИОГЕОЦЕНОЗ выдвинул Сукачёв В. Н. в 1940 г (от “биос” – жизнь, “гео” – Земля, “ценоз” – сообщество) Составляющие экосистемы • биоценоз – совокупность живых организмов • биотоп – место жизни биоценоза В. Н. Сукачёв (1880— 1967). Автор термина биогеоценоз Экотон – определённая территория или акватория со всем набором и особенностями почв, грунтов, микроклимата и в других факторов в неизменённом организмами виде. Примером экотопа могут служить наносные грунты, вулканические или коралловые острова, вырытые человеком карьеры и другие заново образовавшиеся территории. Рис. Изливающаяся в океан лава на острове Гавайи формирует новый прибрежный экотоп

Представители отдельных видов растений или животных, обитающих в данной экосистеме, образуют популяции этих видов. В зависимости от масштаба экосистем выделяют: • микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева) • мезоэкосистемы (лес, озеро) • макроэкосистемы (океан) Глобальной экосистемой является биосфера Земли Рис. Бисфера охватывает всю поверхность Земли, покрывая её плёнкой живого вещества

ПОПУЛЯЦИЯ – совокупность особей одного биологического вида, населяющих одну территорию, имеющих общий генофонд и возможность свободно скрещиваться Генофонд – совокупность генотипов всех особей популяции Генотип – совокупность всех генов организма ВИД – сложная биологическая система, состоящая из группировок организмов – популяций, обладающих характерными особенностями строения, физиологии и поведения

СТРУКТУРЫ ПОПУЛЯЦИЙ • половая (соотношение особей различного пола) • возрастная (соотношение в составе популяции особей разного возраста, представляющих один или разные приплоды одного или нескольких поколений) • генетическая (определяется изменчивостью и разнообразием генотипов, разделением популяции на группы генетически близких особей, между которыми происходит постоянный обмен) • пространственная (характер размещения отдельных членов популяции и их группировок на популяционной территории – ареале) • экологическая (подраздельность всякой популяции на группы особей, по-разному взаимодействующие с факторами среды) Плотность популяции – число особей, приходящихся на единицу площади или объёма. Численность популяции определяется соотношением рождаемости и смертности особей, на которое оказывают влияние внешние и внутренние популяционные факторы. Гомеостаз – тенденция живых систем поддерживать внутреннюю стабильность с помощью собственных регулирующих механизмов

ТЕМА: ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМ Экосистемы состоят из биотического (живого) и абиотического (неживого) факторов Совокупность живых организмов биотического фактора называется сообществом Биотический фактор представлен • автотрофами (самостоятельно синтезируют необходимые им органические вещества) • гетеротрофами (нуждаются в источнике готового органического вещества) Абиотический фактор включает факторы: • эдафические (или почвенные) • климатические • топографические • физические ( в т. ч. воздействие волн, морских течений, огня) Трофическая структура экосистем делится на ярусы 1) Верхний или автотофный, или “зелёный пояс” 2) Нижний или гетеротрофный, или “коричневый пояс”

ТЕМА: ЭКОСИСТЕМЫ КАК ХОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ Экосистемы являются частью географических ландшафтов и образуют биогеосферу или биогеоценотический покров - ряд природных экосистем, представляющих собой хорологические или пространственные единицы биосферы, совпадающие своими границами с ландшафтными элементами географический оболочки Земли Ю. Одум при характеристике экологических систем как хорологических единиц биосферы использовал классификацию, базирующуюся на биомном подходе. Юджин Одум (1913— 2000) Биом — совокупность экосистем со сходным типом растительности, расположенных в одной природно-климатической зоне Биота – исторически сложившаяся совокупность флоры и фауны определённой территории

Классификация природных экосистем биосферы по Ю. Одуму: • наземные биомы (тундра, бореальные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степь умеренной зоны, тропические зоны и саванны, чапарраль, пустыня, полувечнозелёный тропический лес, вечнозелёный тропический дождевой лес); • пресноводные экосистемы (лентические, лотические, заболоченные угодья, болота и болотные леса); • морские экосистемы (открытый океан, воды континентального шельфа или прибрежные воды, районы апвеллинга или плодородные районы с продуктивным рыболовством); • эстуарии или прибрежные проливы, бухты. Сообщества, образующиеся на стыке различных экосистем, называются экотонами. Термин «экотон» ввёл Ф. Клементс в 1905 г Рис. Дельта Нила – пример экотона

ТЕМА: СОСТАВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМ Экологическая система, способная к самостоятельному функционированию, состоит из двух биологических компонентов: продуцентов и сапрофагов, между которыми может включаться цепь консументов Первичные продуценты – автоторофные организмы (растения, прокариоты, хемосинтезирующие бактерии), переводящие неорганическме элементы в форму органических соединений. Прокариоты – одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими мембранными органоидами. Рис. Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмолемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид

Эукариоты – надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра. Растения, животные, грибы являются эукаритическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными и имеют общий план строения клеток. Рис. Диаграмма типичной клетки животного. Отмеченные органоиды (органеллы) 1. Ядрышко 2. Ядро 3. Рибосома 4. Везикула 5. Шероховатый (гранулярный) эндоплазматичес кий ретикулум 6. Аппарат Гольджи 7. Клеточная стенка 8. Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум 9. Митохондрия 10. Вакуоль 11. Гиалоплазма 12. Лизосома 13. Центросома (Центриоль)

Консументы, или потребители, - гетеротрофные организмы, питающиеся непосредственно или посредством других организмов органическим веществом, синтезированным первичными продуцентами. Первичные консументы (травоядные) питаются первичными продуцентами. Травоядные организмы: насекомые, птицы, рептилии, млекопитающие, мелкие ракообразные, моллюски. К первичным консументам относятся также паразиты растений (например, грибы, растения, животные) Вторичные консументы питаются травоядными (плотоядные). Третичные консументы – плотоядные, питающиеся вторичными консументами. Вторичные и третичные консументы могут быть хищниками, падальщиками или паразитами. Сапротрофы (редуценты или разрушители) – организмы, которые способны разлагать растительные и животные остатки до уровня исходных неорганических веществ. К ним относятся бактерии, грибы и почвенные животные. Сапротрофы также могут служить пищей другим организмам и играть роль вторичных продуцентов.

ТЕМА: РАЗВИТИЕ ЭКОСИСТЕМ. СУКЦЕССИЯ Сукцессия – последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории под влиянием природных факторов (в том числе и внутренних противоречий самих биоценозов) или воздействия человека. Рис. Пример сукцессии — лес вырастает на месте залеж Сукцессия происходит в определённый промежуток времени, в котором изменяется видовая структура сообщества и абиотическая среда, до возникновения стабилизированной системы, называемой климаксом. В таком состоянии система находится тогда, когда на ней на единицу энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество симбиотических связей между организмами. Климакс – это конечное состояние системы, до которого проходят несколько стадий развития.

Выделяют первичную и вторичную сукцессию в зависимости от первичного субстрата. Первичная сукцессия формируется на безжизненном субстрате (песках пустыни, склоне скалы), а вторичная сукцессия возникает при смене одного сообщества другим, более приспособленным к данным абиотическим условиям. Рис. Ельник (еловый лес) — типичный пример климаксного сообщества, развивающегося на некоторых суглинистых почвах на Северо-Западе России в подзоне южной тайги Рис. Сосновый лес как климаксное сообщество, наоборот, развивается на песчаных и супесчаных почвах Вторичная сукцессия возникает на месте ранее существовавших сообществ, которые были разрушены, но почва и некоторые организмы сохранились (пожар, наводнение, распашка земель)

ТЕМА: ЭНЕРГИЯ ЭКОСИСТЕМ. ТРОФИЧЕСКИЕ УРОВНИ При передаче энергии от одного организма к другому образуется трофическая (пищевая) цепь, начинающаяся с продуцентов и переходящая к консументам. Место каждого звена в пищевой цепи называется трофическим уровнем. Первый трофический уровень представлен продуцентами, второй – растительноядными консументами. Третий трофический уровень состоит из плотоядных консументов, которые питаются растительноядными; четвёртый – плотоядные консументы, питающиеся другими плотоядными и т. д. Различают два вида трофических цепей: 1) пастбищные цепи, начинающиеся с поедания зелёных растений; 2) детритные цепи, которые начинаются с поедания отмерших растительных и животных остатков. В 1942 г Р. Линдеман предложил закон 10 % - на последующий трофический уровень переходит лишь 10 % энергии от содержания её в предыдущих уровнях. При тщательном изучении этого вопроса было установлено, что переходит не 10 %, а от 5 до 20 % энергии.

Количественное соотношение организмов, биомассу, содержание энергии на каждом трофическом уровне можно представить в виде пирамиды чисел, биомассы и энергии. Эффект пирамид в виде графических моделей разработан в 1927 году Ч. Элтоном. Пирамида чисел – соотношение числа особей на каждом трофическом уровне. В пирамидах биомассы указывается биомасса особей, а не их количество. Пирамиды энергии дают динамику скорости прохождения массы пищи через трофическую цепь и всегда имеют правильную форму.

Биологическая продуктивность – скорость усвоения прдуцентами солнечной энергии и образования органического вещества в процессе хемосинтеза и фотосинтеза. Выделяют разные уровни продуцирования, на которых создаётся первичная и вторичная продукция. Первичная продукция – масса органического вещества, созданного продуцентами в единицу времени на единицу площади. Вторичная продукция – прирост за единицу времени массы консументов. Первичная продукция подразделяется на валовую и чистую продукцию. Валовая первичная продукция – это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая траты на дыхание. Та часть валовой продукции, которая не израсходована на процесс дыхания и не съедена гетеротрофами, наз. чистой первичной продукцией и представляет собой величину прироста растений. Вторичную продукцию рассчитывают для каждого трофического уровня отдельно, т. к. она образуется за счёт энергии, которая поступает с предыдущего уровня. В климаксных сообществах (стабильных) в трофических цепях в основном тратиться вся продукция, и биомасса остаётся постоянной.

ТЕМА: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ДЕЙСТВИЯ Экологический фактор среды – это любой элемент среды, способный оказывать непосредственное влияние на живые организмы и на характер их отношений друг с другом. Экологические факторы среды делятся на категории: • факторы неживой природы – абиотические • факторы живой природы – биотические • антропогенные факторы Экологическая толерантность — способность организмов переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора окружающей среды. Экологическая ниша – место, занимаемое видом в биоценозе, включающее комплекс его биоценотических связей и требований к факторам среды. Термин введён в 1914 г Дж. Гриннеллом и в 1927 г Чарльзом Элтоном. В настоящее время принято определение Гриннелла называть пространственной нишей (по смыслу термин ближе понятию местообитание), а определение Элтона называют трофической нишей (экологическая ниша представляет собой сумму факторов существования данного вида, основным из которых является его место в пищевой цепочке)

В каждом биогеоценозе все виды живых организмов занимают определённые экологические ниши, расселяясь таким образом, чтобы не мешая другу, наиболее полно и эффективно использовать все энергетические и материальные ресурсы. От разнообразия живых организмов, от числа экологических ниш зависит полнота и скорость круговорота веществ в биогеоценозе. Правило обязательного заполнения экологической ниши Экологическая ниша не может быть пустой. Если ниша пустеет в результате вымирания какого-то вида, то она тут же заполняется другим видом Экологическая ниша человека Человек как биологический вид занимает свою собственную экологическую нишу. Человек может обитать в тропиках и субтропиках, на высотах до 3— 3, 5 км над уровнем моря. Человек расширил свободную экологическую нишу благодаря использованию различных приспособлений: жилища, одежды, огня и пр.

Закономерности действия факторов Обозначим множество значений любого фактора в виде вектора или шкалы. Жизнь возможна лишь при определённых значениях факторов, совокупность которых носит название экологического спектра. Рис. Схема экологического спектра А – нижняя граница жизни; Б и В – границы нормальной жизнедеятельности; Г – верхняя граница жизни. I – зона минимума (зона стресса); II – зона оптимума; III – зона максимума (зона стресса) Весь интервал значений фактора от минимального до максимального, при которых возможна жизнедеятельность организма, называют диапазоном устойчивости (толерантности)

Юстус Либих (1803— 1873) Закон минимума Либиха (1840 г): Жизненные возможности лимитируют факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму. Закон лимитирующего фактора или закон толерантности В. Шелфорда (1913 г): не только вещество, присутствующее в минимуме, может определять жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным отклонениям. Важнейшими лимитирующими факторами являются температура, свет и вода. Абиотические — факторы неживой природы: климатические: годовая сумма температур, среднегодовая температура, влажность, давление воздуха; эдафические: механический состав почвы, воздухопроницаемость почвы, кислотность почвы, химический состав почвы; орографические: рельеф, высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склона; химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность; физические: шум, магнитные поля, теплопроводность и теплоёмкость, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения.

Биотические факторы — связанные с деятельностью живых организмов: фитогенные — влияние растений микогенные — влияние грибов зоогенные — влияние животных микробиогенные — влияние микроорганизмов Различают следующие категории биотических факторов: • топические – взаимоотношения на почве совместного обитания • трофические – взаимоотношения на почве питания (хищничество, конкуренция, паразитизм, протокооперация, мутуализм, комменсализм, форезия, нейтрализм, синойкия, аменсализм) • генеративные – взаимоотношения на почве размножения Антропогенные факторы: физические: использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации химические: использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта биологические: продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания социальные — связанные с отношениями людей и жизнью в обществе