Учение об экосистемах Экология oikos-желище logos наука

Учение об экосистемах

Экология (oikos-желище, logos –наука) • Комплексная наука , которая изучает законы функционирования живых систем в их взаимодействии с окружающей средой и между собой

Объект исследования экосистема Задачи экологии: 1. Изучение уровней, законов взаимодействия организмов со средой обитания. 2. Определение границ и опасности техногенного влияния на состояние биосферы. 3. Разработка научных рекомендаций с целью создания безотходных производств, технологически грамотных экосистем, использования принципа круговорота веществ в природе. 4. Прогнозирование будущего на основе изучения законов природы с целью предупреждение экологического кризиса. 5. Сохранение генофонда живой природы 6. Сохранение здоровья и генофонда человечества, управление его адаптационными возможностями. 7. Охрана природы, восстановление естественных экосистем.

Глобальные проблемы • 1. Предупреждение термоядерной катастрофы. • 2. Предупреждение истощение топливных ресурсов • 3. Сохранение климата на планете. • 4. Улучшения качества народонаселения.

Методы экологии: • 1. полевые наблюдения; • 2. эксперимент в природных условиях; • 3. моделирование процессов и ситуаций, которые встречаются в популяциях и биоценозах.

Этапы развития • 1. Период «наивной экологии» с древности до 1866 г. (заканчивается определением «экология» ; • 2. период с 1866 по 1935 г. – период факториальной экологии изучаются закономерности взаимоотношений животных или растений к разнообразным абиотическим факторам среды; • 3. с 1936 г. До начала 70 годов. период синэкологии. когда на первый план выступают исследования взаимоотношений сообществ в экосистемах; • 4. с начала 70 -х годов до середины 80–х активно развивается демэкоогия , заложены основы глобальной экологии; • 5. с 89 – х годов до настоящего времени экология человека

Обьект экологии: экосистема биогеоценоз(экосистема) - • Экосистема –это надорганизменные образования • Экосистема - объединения с определенным видовым составом – впервые этот термин ввёл в 1935 г. Дж. Тенсли. Биогеоценоз – это участок биосферы, однородный по топографическим, микроклиматическим, гидрологическим и биотическим условиям

Водные экосистемы

С медико-биологической точки зрения биогеоценозы можно подразделить на 3 группы: а)Природные биогеоценозы экосистемы мало подверженные влиянию человека. Им свойственна высокая биомасса и низкая первичная продуктивность. б) Агроценозы (агробиоценозы, сельские сообщества) характеризуются малой биомассой и высокой первичной продуктивностью. в) городские и промышленные сообщества.

Классификации экосистем • Микроэкосистемы – ствол гниющего дерева…. . • Мезоэкосистемы – лес, пруд …… • Макроэкосистемы – океан. континент…. • Глобальные экосистемы – биосфера • Биомы

Наземные биомы • • Вечнозелёный тропический лес Пустыня Чепараль Тропические саванны Степи Листопадный лес Хвойный лес тундра

Типы пресноводных экосистем • Ленточные(стоячие воды) – озеро, пруд • Лотические(текучие воды) – реки, ручьи • Заболоченные угодья – болота, лес

Типы морских экосистем • Открытый океан - пелагический • Прибрежные воды континентальный шельф • Районы апвелинга – плодородные районы с продуктивным рыболовством. • Эстаурии – прибрежные бухты, проливы, усть рек и т. д.

Составляющие экосистемы: биоценоз и экотоп • Биоценоз – это совокупность всех видов организмов , которые встречаются совместно. • Экотоп – это совокупность всех экологических факторов в среде обитания.

Пространственная структурная организации экосистемы • Структура экосистемы делится на два яруса: • верхний – автотрофный (самостоятельно питающийся) или «зеленый пояс» . т. е. фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы. • нижний – гетеротрофный(питающийся другими) или « коричневый пояс» .

Доминантные виды экосистем • Экосистему населяют сходные по своей биологии виды: • 5 -10% составляют основную часть биомассы(4/5) –это доминантные виды. • Они имеют высокую плотность, так как обладают оптимальной приспособленностью.

Субдоминанты и редуценты • Часто эти виды встречаются и в других экосистемах, но образуют там популяции меньшей плотности – субдоминанты. • Или совершенно незначительной плотности - редуценты

экологическая ниша • Вид в экосистеме представляет собой комлекс жизненных форм , которые позволяют ему использовать определенные свойства среды и играть в экосистеме определённую роль. • Каждый вид в экосистеме занимает определенную экологическую нишу –место в экосистеме.

Закон Григорьева – Будыко(закон периодичности) • Со сменой физико – географических поясов Земли периодически повторяются аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства. • Согласно этому закону в природе (мироздании) периодически миняются индекс сухости(влажности) – трижды между полюсами и экватором и естественно меняются трижды однотипные экосистемы по своему составу и продуктивности.

Зональность макроэкосистем • Экосистемы не разбросаны в беспорядке, а наоборот сгруппированы в достаточно регулярных зонах, как по горизонтали , так и по вертикале – это подтверждается периодическим законом А. А. Григорьева – Будыко.

Геграфическая зональность Степи пустыни умеренного пояса субтропические степи кустарниковые саванны(степи) субтропические пустыни

Экосистема – биогеоценоз(биоценоз + экотоп)

Характеристика экосистемы с биологической точки зрения • В экоситеме выделяют следующие компаненты • 1. – неорганические в-ва(c, N, CO 2 , H 2 O • 2. - органические соединения(белки, углеводы, липиды) • 3. воздушные и водные среды И ПОЧВЕННОЙ • 4. продуцентов, т. е. производящих пищу за счет фотосинтеза и хемосинтеза – автотрофы • 5. консументы(фаготрофы). • 6. редуценты и деструкторы(гетеротрофы)

Схемы биологического Необходимые компоненты экосистемы круговорота углерод, Биогенные водород, вещества азот… Бактерии, грибы редуценты растения продуценты животные консументы

Первичные консументы • Консументы , питаются живыми (биофаги), либо мертвыми (сапрофаги) органическими веществами. • Среди биофагов выделяют растительно – ядные - фитофаги –первичные консументы

Вторичные консументы • Вторичные консументы , в том числе и паразиты первичных консументов и конечные потребители.

Третичные консументы • Третичные консументы – это вершинные хищники

ТИПЫ ПИТАНИЯ

Связи в экосистемах • В экосистемах пищевые и энергетические связи между категориями всегда ОДНОЗНАЧНЫ и идут в направлении: • Автотрофы – гетеротрофы • Автотрофы – консументы редуценты

Пищевые связи • Это механизмы передачи энергии с одного организма на другой: • Сок розы – тля – божья коровка – паук – насекомые – хищная птица • Таким путём происходит перенос энергии через ряд организмов в экосистеме – каждый последующий питается предыдущим, поствавляя ему сырьё и энергию - такая последовательность переноса энергии называется пищевой(трофической) цепью или цепью питания, а место каждого звена в цепи питания явл. Трофическим уровнем.

Пищевая цепь хищников • Начинается с растений и переходит от мелких организмов к организмам все более крупных размеров(4 -5 звеньев) • Нектар – муха – паук – землеройка – сова(состоит из 5 уровней)

Паразитарная система В ней идут пищевые связи от крупных организмов к мелким: • человек – свиной цепень • ЧЕЛОВЕК -ЛЯМБЛИЯ

ПАСТБИЩНЫЕ ЦЕПИ ПИТАНИЯ • НАЧИНАЮТСЯ С ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ОРГАНИЗМОВ-ЦЕПИ ВЫЕДАНИЯ РАСТЕНИЯ –ЗАЯЦ – ВОЛК - РЫСЬ

Детритные пищевые цепи • Начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных. Это цепи разложения. • Особую роль эти цепи играют в лиственных лесах. • Листья измельчаются бактериями. грибами и насекомыми, которые дальше заглатаются земноводными , дождевыми червями: • Листовая подстилка – бактерии и грибы – дождевой червь – черный дрозд – ястреб

Пастбищные И ДЕТРИТНЫЕ пищевые цепи(цепи выедания или потребления) » Растения – заяц – волк – рысь

Типы экосистем

• ЛЕКЦИЯ ВТОРАЯ

Экологические пирамиды • ВНУТРИ КАЖДОЙ ЭКОСИТЕМЫ ТРОФИЧЕСКИЕ СЕТИ ИМЕЮТ ХОРОШО ВЫРАЖЕННУЮ СТРУКТУРУ, КОТОРУЮ ОТРАЖАЮТ ЭКЛОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ СТРОЯТСЯ ВВИДЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ • ОНИ СТРОЯТСЯ В ВИДЕ ПРЯМОУГОЛЬНИКОВ ОДИНАКОВОЙ ШИРИНЫ, НО ДЛИНА ДОЛЖНА БЫТЬ ПРОПОРЦИОНАЛЬНА ЗНАЧЕНИЮ ИЗМЕРЯЕМОГО ОБЪЕКТА. • • РАЗЛИЧАЮТ: ПИРАМИДЫ ЧИСЛЕННОСТИ ; ПИРАМИДЫ БИОМАССЫ; ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИИ.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ ПОКАЗЫВАЮТ ТРОФИЧЕСКУЮ СТУКТУРУ ЭКОСИСТЕМЫ • ВЫСОТА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПИРАМИДЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНА ДЛИНЕ РАССМАТРИВАЕМОЙ ПИЩЕВОЙ ЦЕПИ, Т. Е ЧИСЛУ СОДЕРЖАЩИХСЯ В НЕЙ ТРОФИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ • ФОРМА ПИРАМИДЫ ОТРАЖАЕТ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕВРАЩЕНИЙ ЭНЕРГИИ НА ДРУГОЙ УРОВЕНЬ • УСТАНОВЛЕНО: В ЛЮБОЙ экосистеме РАСТЕНИЙ >ЧЕМ ЖИВОТНЫХ (ТРОВОЯДНЫХ)>ЧЕМ ПЛОТОЯДНЫХ, • А НАСЕКОМОЯДНЫХ > ЧЕМ ПТИЦ

Правило пищевой пирамиды находит отражение в соотношении на планете биомасс растительного и животного происхождения: 0, 0002% - люди 1% - животные 99% - растения

ПИРАМИДА ЧИСЛЕННОСТИ • ОТРАЖАЕТ ПЛОТНОСТЬ (ЧИСЛЕННОСТЬ)ОРГАНИЗМОВ НА КАЖДОМ ТРОФИЧЕСКОМ УРОВНЕ. • ПИРАМИДЫ РАЗНООБРАЗНЫ, НЕРЕДКО МОГУТ БЫТЬ ПЕРЕВЕРНУТЫ, НАПРИМЕР: В ЛЕСУ ДЕРЕВЬЕВ ЗНАЧИТЕЛЬНО МЕНЬШЕ , ЧЕМ НАСЕКОМЫХ

Потоки энергии в водной экосистеме

ПИРАМИДА ЭНЕРГИИ • ОТРАЖАЕТ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ПРОДУКТИВНОСТИ ПИЩЕВЫХ ЦЕПЕЙ • ОНИ СТРОЯТСЯ НА ОСНОВЕ ПОДСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ЭНЕРГИИ (ККАЛ) АККУМУЛИРОВАННОЙ ЕДИНИЦЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗА ЕДИНИЦУ ВРЕМЕНИ , КОТОРАЯ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НА КАЖДОМ ТРОФИЧЕСКОМ УРОВНЕ. • БЛАГОДАРЯ ЭТОМУ МОЖНО ОПРЕДЕЛИТЬ ОБЩЕЕ КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ПОГЛОЩЕННОЕ НА КАЖДОМ ТРОФИЧЕСКОМ УРОВНЕ.

ПИРАМИДЫ БИОМАССЫ • В НИХ УЧИТЫВАЕТСЯ СУММАРНАЯ МАССА ОРГАНИЗМОВ(БИОМАССА) КАЖДОГО ТРОФИЧЕСКОГО УРОВНЯ. • ЭТА ПИРАМИДА БОЛЕЕ ПОЛНО ОТРАЖАЕТ ПИЩЕВЫЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ В ЭКОСИСТЕМЕ. • ПРЯМОУГОЛЬНИКИ В ПИРАМИДЕ ОТРАЖАЮТ МАССУ ОРГАНИЗМОВ КАЖДОГО ТРОФИЧЕСКОГО УРОВНЯ, ОТНЕСЕННОГО К ЕДИНИЦЕ ПЛОЩАДИ ИЛИ ОБЪЁМА

Судьба поглощенной энергии • 30% поглощается солнечной энергии, из неё 29% расходуется на обмен, дыхание, а 1% идет на синтез собственного органического вещества.

ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМЕ ПЕРВИЧНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА СОЛНЦЕ ПОСЫЛАЕТ К ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ 20 БОЛЕЕ МЛН. ЭК. ДЖ В ГОД. К границе земли подходит только четверть этого потока(из-за шарообразности планеты). А из неё 70% отражается , поглащается атмосферой, излучается в виде инфракрасного излучения. В год на поверхность земли падает 1, 54 млн э. дж, что в 5000 раз превыщает всю энергию человечества.

Характеристики солнечной энергии • Постоянство - всегда будет доступна В одинаковом и безграничном пространстве. • Вечность - солнце погаснет только через несколько смиллиардов лет и для нас это не имеет никакого значения. • На каждые 100 лет поток энергии будет уменьшатьбся на 0, 00001%.

Характеристики солнечной энергии • Избыток – из всей падающей солнечной энергии , растениями усваивается 0, 5%, т. е. её количество вполне достаточно для удовлетворения человечества. • Чистота – энергия чистая , хотя ядерные реакции идут в недрах солнца, но все это происходит в 150 млн. км от Земли(что отличает её от энергии атомных электростанций).

Потоки энергии в экосистеме

Поток энергии • Энергия создаётся автотрофными организмами, а создаваемые ими вещества служат пищей для гетеротрофов. Однако, поток энергии , выражающийся количеством ассимилированного вещества по цепи питания , на каждом трофическом уровне уменьшается: • Пч > П 2 > П 3 > П 4 > П 5 и т. д.

Закон Линдемана(закон пирамиды энергии, закон 10%) • С одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой её уровень в среднем не более 10% энергии, что и объясняет ограниченное количество звеньев в пищевой цепи независимо от того или иного биоценоза.

Поток энергии в экосистеме • В отличии от веществ , которые непрерывно циркулируют по разным блокам экостстемы и которые могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему, что подтверждается законами термодинамики(энергия может превращаться из одной формы в другую; происходит потеря части энергии.

Изменения энергии при её прохождении через пищевую цепь - • Солнечная энергия аккумулированная растениями в процессе фотосинтеза в виде углеводов создаёт валовую первичную продукцию –Пв. • Углеводы идут на построение протоплазмы и рост растений , а часть их энергии затрачивается на их метоболизм: рост. развитие и дыхание – Д 1

Чистая продукция • Чистая продукция - это энергия , которую могут использовать организмы следующего трофического уровня: • Чп(валовая) = Пп(первич. продукция)- Дх(дыхание) • Валовая продукция = Чп +Дх

Трансформация органического вещества по трофическим цепям • Какое-то количество , созданного продуцентами(растениями) вещества служит кормом (К) для фитофагов, а остальное отмирает ( Н) и перерабатывается редуцентами: • Пп растений --- -идет на корм (К)фитофагов, а ассимилируется фитотрофами. • Корм (К) частично идёт на образование биомассы фитофагов – П 2. (А 2), а какая-то его часть - отмирает ( Н) и передаётся редуцентам(R).

Дальнейшая трансформация вещества -П 2(фитофагов) (созд. собст. биомассу) -(А 2) , часть которой идёт корм К 3 и + на -Д 2 (на дыхание фитофагов) и + (экскременты) и т. д Э 2

Круговорот вещества и энергии • Солнце вызывает в биосфере 2 круговорота: • Большой – геологический; • Малый – биологический, который развивается на основе большого , но оба круговорота взаимосвязаны и представляют единый процесс.

Малый круговорот • Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана. • Над океанами выпадает 7/9 от общего количества осадков. • Над континентами 2/9 • Поступление воды в мировой океан и испарение с его поверхности составляет 1260 мм. в год

КРУГОВОРОТ АЗОТА

Круговорот веществ • Кислород полностью оборачивается за 2000 лет. • Углекислый газ за 300 лет. • Вода разлагается и воссоздоются путем фотосинтеза и дыхания за • 2 000 лет.

Круговорот воды • Это самый значительный по затратам энергии круговорот на Земле. Каждую секунду в него вовлекается 16, 5 млн. м воды, а затрачивается 40 млрд. мвт солнечной энергии. 3

Биогеохимический круговорот(биологический) • Это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы и превращение их в новые сложные соединения, а затем возвращение органического вещества обратно в среду в процессе их жизнедеятельности • с ежегодным листопадом.

Динамика экосистем Формирование любой экосистемы- это сложный динамический процесс изменений состояния и жизнедеятельности членов экосистемы и соотношения популяций в ней.

Типы динамических изменений экосистем • Циклические изменения сообществ отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявления эндогенных ритмов организмов.

Многолетняя изменчивость • Количество выпадающих осадков резко колеблется по годам: засухи чередуются с многолетними периодами обильных осадков и это оказывает существенное влияние на растительный и животный мир биоценоза приводя к смене одного биоценоза другим.

Сезонная изменчивость • Зависит от сезонной цикличности природы: спячка, миграция животных, периоды цветения, плодоношения , активный рост, листопад и зимний покой у растений. При этом отдельные ярусы могут исчезнуть(однолетний травоядный ярус).

Суточная динамика • С. Д –связана с ритмикой природных явлений и носит строго периодический характер: известно, что жизнь у разных групп организмов приходится на разное время суток –одни активны днем, а другие –ночью, а поэтому отдельные организмы на определенное время выключаются из активной жизни: суточную динамику обеспечивают как растения так и животные.

Причины смены биоценозов • 1. внешние • 2. внутренние • Внешние. (загрязнения водоёмов, усиленный выпас скота, перепашка) – приводят к экзогенетическим изменениям биоценоза, чаще к упрощению структуры биоценоза, обеднению его состава, т. е к дигрессивным изменениям. • Внутренние –в процессе длительного существования популяции в биоценозе меняют своё окружение и своей жизнедеятельностью меняют вокруг себя среду и чаще в неблагоприятную сторону. а это приводит к эндогенетической смене состава биоценоза.

Сукцессии • Последовательная смена одного биоценоза другим называется экологической сукцессией – это процесс саморазвития экосистем, который свойственен любому сообществу. • В результате в биоценозе происходит смена господствующих видов –это правило экологического дублирования.

Типы сукцессионных изменений • 1. В процессе сукцессии виды растений и животных непрерывно сменяются. • 2. Сукциссионные изменения всегда сопровождаются повышением видового разнообразия организмов. • 3. Биомасса органического вещества увеличивается по ходу сукцессии. • 4. Снижение чистой продукции сообщества и повышение интенсивности дыхания.

Принципы сложения экосистем по Реймерсу • 1. принцип экологической комплементарности(дополн ительности). • 2. экологической конгруэнтности(соответстви я).

Пртинцип экологической комплиментарности • Никакая функциональная часть экосистемы(экологическ ий комплимент) не может существовать без функционально дополняющих частей

Принцип экологической конгруэнтности(соответствия • Функционально дополняя друга живые компаненты экосистемы вырабатывают для этого соответствующие приспособления , скоординированные с условиями абиотической среды и в значительной степени преобразуемой теми же организмами, т. е. наблюдается двойной ряд соответствия между организмами и средой их обитания.

следовательно • Длительное существование организмов возможно в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друга и соответственно приспособлены друг к другу.

Правило экологического дублирования при сукцессионных изменениях биоценоза • Длительность существования биоценоза возможна лишь в случае , если изменения среды , вызванные деятельностью одних живых организмов благоприятны для других, с противоположными требованиями. ( например зарастание небольшого озера – образования болота , а затем и леса).

Типы сукцессионных изменений • 1. с участием автотрофного(растительного) и гетеротрофного(животного) населения; • 2. с участием только гетеротрофов.

Первичные и вторичные сукцессии • Сукцессии со сменой растительности могут быть первичными и вторичными: • Первичной сукцессией наз-ся процесс развития и смены экосистем на независимых ранее участках, начинающихся с их колонизации и постепенной эволюцией. • Вторичные сукцессии - это восстановление экосистемы , когда –то уже существовавшей на данной территории иразрушенной вулканами. пожарами. вырубками. вспашками. • Вторичные сукцессии не повторяют первичные сукцессии.

Климакс экосистемы • Развитие сукцессии экосистемы завершается , когда все виды экосистемы, размножаясь сохраняют относительную численность и дальнейшей смены её состава не происходит – такое равновесие называют климаксом, а система климаксовая экосистема(т. е. в них сохраняется относительное постоянство численности и состава). • Основные биомы земли –это климаксные экосистемы.