Структура биогеоценоза по В.Сукачёву

Введение

Предмет экологии как науки. Структура и методы экологии.

Экология – это наука, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и с окружающей средой (т.е. с компонентами живой и неживой природы). Термин «экология» ввёл в 1868 г. биолог Э.Геккель, а как наука она сформировалась в начале 20-го века.

Предметом экологии могут быть как отдельные особи, так и различные сообщества, т.к. организмы в природе живут не изолированно. Особи одного вида образуют популяции – группировки, населяющие определенную территорию. Вместе с популяциями других видов, обитающими на этой территории, они образуют сообщества (ценозы). Сообщества в совокупности с неживыми компонентами среды составляют экосистемы. Экосистемы испытывают влияние различных природных факторов, времени и деятельности человека.

 В зависимости от объекта изучения, выделяют следующие разделы экологии:

 - экология особей (аутэкология) - изучает свойства отдельных организмов, их устойчивость и способность к адаптации в окружающей среде;

- популяционная экология и экология экосистем (синэкология) - изучает структуру и размещение популяций и сообществ, их взаимодействие со средой и изменения во времени;

- экология отдельных экосистем (тундр, лесов, морей и т.д.);

- биосферная экология - изучает глобальные изменения на всей планете в результате естественных процессов и воздействия человека;

- городская экология - изучает возможности улучшения городской среды обитания человека;

- экономическая экология - разрабатывает экономические механизмы природопользования;

- юридическая экология - разрабатывает законы, направленные на защиту природы   

                                                

Тема 1. Экологические факторы и основные законы экологии                  

Содержание. Среда обитания и экологические факторы; группы факторов, понятие об экологической нише вида. Законы экологии: з. минимума Либиха, з. толерантности Шелфорда, з. оптимума; правила Коммонера

 

Среда обитания и экологические факторы; группы факторов.

Среда обитания или окружающая среда – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Она характеризуется огромным разнообразием. Компоненты и явления окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы, называют экологическими факторами. Организм реагирует на воздействие этих факторов с помощью специфических приспособительных реакций и таким образом приспосабливается – адаптируется - к условиям среды обитания.

Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические). К абиотическим факторам относят:

- космические: солнечная активностьи геомагнитные возмущения («бури»);

- климатические: свет, температура, влажность, скорость движения воздуха, атм. давление;

- химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды;

- эдафогенные (почвенные): механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость почв, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;

- орографические: рельеф, высота и экспозиция склона гор и др.

Биотические факторы – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Их подразделяют на фитогенные (влияние растительных организмов); зоогенные (влияние животных); микробиогенные (влияние вирусов, бактерий и простейших); антропогенные (деятельность человека). Так, растения, являясь автотрофами, предоставляют пищу для прочих живых организмов. Влияние животных друг на друга («типы взаимоотношений») мырассмотрим позже.  Влияние микроорганизмов и грибов на более высокоорганизованные организмы варьирует от паразитизма (болезнетворные бактерии и грибки) до взаимопомощи, симбиоза (молочнокислые бактерии). Влияние человека охватывает всю биосферу и по своей мощности сопоставимо с самыми сильными абиотическими факторами (космическими и геологическими). Факторы взаимодействуют друг с другом, взаимно усиливая или ослабляя давление на организм.

Совокупность всех факторов среды, необходимое для нормального существования вида, называют его экологической нишей. Иногда экологическую нишу характеризуют как образ жизни представителей данного вида. Устойчивость вида –  это способность вида сохранять жизнеспособность и функционирование при значительном изменении факторов его экологической ниши. Она зависит как от генофонда данного вида, так и от его способности включаться в разнообразные пищевые цепи.

Законы экологии

Факторы среды, которые ограничивают возможности организмов к росту, развитию, размножению и расселению называют лимитирующими. Их действие объясняют два закона.

1. Закон минимума (закон Либиха). В 19 в. химик Ю. Либих выяснил, что рост и развитие растений зависят не только от тех элементов питания, которые присутствуют в достаточном количестве, но и от тех, которых не хватает,так как избыток воды или азота не заменят недостатка бора или железа. Он сформулировал закон, согласно которому для улучшения роста растений необходимо - в первую очередь - увеличивать содержание того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве.   В обобщённом виде этот закон применим ко всему живому: для оптимизации условий существования организма ему нужно дать, в первую очередь, то, в чём он испытывает наиболее острую нужду. А для этого нужно знать биологические потребности каждого вида, т.к. они могут сильно отличаться.

2. Закон толерантности (з. Шелфорда). Позже В. Шелфорд установил, что не только фактор, присутствующий в минимуме, влияет на жизнеспособность организма, но и фактор, присутствующий в избытке, может привести к нежелательным последствиям (так, большинству растений нужно много воды, а кактус от её избытка гибнет). Шелфорд назвал факторы, присутствующие как в недостатке, так и в избытке ( по отношению к оптимальным требованиям организма), лимитирующими, а выведенное им правило «законом лимитирующего фактора» или «законом толерантности» (толерантность - терпение, терпимость)

Из этих законов вытекает третий – закон оптимума: любой экологический фактор имеет пределы положительного влияния на живой организм.

В 20-м веке американский эколог Б.Коммонер ввёл несколько простых правил, которые назвали «законами Коммонера»: - все связано со всем (в природе ничто не изолировано, все компоненты экосистем и человеческое общество влияют друг на друга);

- все надо куда - то девать ( хозяйственная деятельность человека приводит к накоплению отходов, а потому необходимо думать об их уменьшении, разложении или захоронении);

- за все приходится платить (этовсеобщий закон рационального природопользования: мы платим энергией за дополнительную очистку отходов, удобрениями – за повышение урожая; собственным здоровьем – за несоблюдение законов природы и т.д.);

- природа знает лучше (не надо пытаться быть умнее природы, «покорять» и уродовать её; с природой нужно сотрудничать, используя естественные биологические механизмы).

 

Тема 2. Биогеоценозы и экосистемы                                                               

Содержание. 2.1.Структура биогеоценоза по В.Сукачёву. 2.2. Компоненты экосистем. Поток энергии и круговорот вещества в экосистемах. 2.3. Пищевые цепи и пищевые сети. 2.4.Экологические пирамиды. Продуктивность экосистем. 2.5. Устойчивость естественных экосистем. Понятие о сукцессиях.

 

Структура биогеоценоза по В.Сукачёву

Согласно В.Сукачёву, биогеоценоз – это естественная природная система, включающая сообщество живых организмов и связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах определенной территории (озеро, сосновый лес, горная долина). С точки зрения географии биогеоценоз представляет собой отдельный ландшафт или элемент ландшафта. С точки зрения экологии биогеоценоз – это первичная, базовая природная экосистема. Биогеоценоз состоит из биоценоза – совокупности живых организмов и экотопа – совокупности неживых компонентов, влияющих на живое (температура, влажность, почва, экспозиция склона и т.п.).

 

Рис. 1. Структура биогеоценоза

 

2.2. Компоненты экосистем. Поток энергии и круговорот вещества в экосистемах.

Экосистемы - это самоорганизующиеся открытые биологические системы, в которых живые организмы связаны между собой пищевыми и энергетическими отношениями. Термин «открытая система» обозначает, что энергия в такую систему поступает извне и в ней рассеивается. Для экосистем Земли источником энергии является Солнце.

По способу питания все живые организмы делятся на две группы: автотрофы (от «авто» - сам, «троф» - питание) и гетеротрофы («гетеро» — другой). Автотрофы («сами себя питающие») способны синтези­ровать органические вещества (глюкозу) из неорганических. По источнику энергии они делятся на две группы: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ ис­пользуют энергию химических связей неорганических веществ; например, серобактерии и железо­бактерии, получающие энергию при окислении соединений серы и железа. Хемоавтотрофы имели значение в ранние геологические эпохи; сейчас их роль невелика.

  Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ (глюкозы) ис­пользуют неорганические компоненты (углекислый газ, воду) и солнечную энергию. К фототрофам относятся зеленые растения и некоторые бактерии, имеющие в составе хлорофилл и другие пигменты. Процесс, при котором происходит преобразование неорганических веществ в органические и световой энергии в химическую, называется фотосинтезом. Это главный процесс, обеспечивающий питательными веществами и энергией все живые организмы на Земле (кроме хемоавтотрофов).

Гетеротрофы используют для своей жизнедеятельности органические вещества, синтезированные автотрофами, и вместе с этими веще­ствами получают энергию.

 

Рис. 2. Классификация организмов по способам питания и источникам энергии

 

По способу извлечения энергии из готовых органических веществ (из глюкозы) организмы делятся на аэробов (аэро – воздух), использующих для этой цели процесс дыхания (с участием кислорода) и анаэробов, использующих процесс брожения (без участия кислорода). К анаэробам относятся некоторые древние бактерии и грибки (например, дрожжи), а к аэробам – большинство эволюционно продвинутых организмов. Это связано с тем, что процесс дыхания позволяет извлечь значительно больше энергии из глюкозы, чем процесс брожения.

 

Рис. 3. Классификация организмов по способу извлечения энергии из глюкозы

Передача вещества и энергии от одних организмов к другим образует так называемые трофические (пищевые) цепи, лежащие в основе природных экосистем.

Начальное звено пищевой цепи - растения, которые способны усваивать энергию Солнца и создавать (из углекислого газа, воды и энергии света) органические вещества (углеводы, сахара, глюкозу) - готовый продукт для себя и других существ. С этой точки зрения автотрофы (растения и фотосинтезирующие бактерии) называются продуцентами (поставщиками продукции)

Организмы, которые не могут создавать сами органические вещество (гетеротрофы), употребляют в пищу готовую органику; их называют консументами (потребителями продукции). Существует нес­колько групп консументов. 1. Фитофаги или растительноядные -это животные, которые питаются растениями: тля и кузнечик, корова и слон. 2. Зоофаги (хищники). Это и мелкие животные, питающиеся червями или рачками (землеройка, окунь), и крупные – медведь, волк. Существуют и растения-хищники (росянка, пузырчатка), которые используют в пищу мелких насекомых. 3. Паразиты –  животные (черви, насекомые, клещи), грибы, бактерии, вирусы или растения (заразиха, пови­лика, омела), которые поселяются на других организмах (или внутри них) и живут за счет организма-хозяина. 4. Детритофаги — гетеротрофы, питающиеся мертвым органи­ческим веществом. Это птицы (вороны), млекопитающие (кры­сы), насекомые (жуки-навозники), черви (дождевой червь) и др. Детритофаги становятся добычей хищников и в этом случае мёртвое органическое вещество возвращается в биологический круговорот.                           5. Симбиотрофы -бактерии и грибы, живущие в содружестве с другими организмами и обменивающиеся с ними питательными веществами. Гифы грибов, опутывающие корни растений, помогают им всасывать воду и минеральные вещества, получая взамен углеводы (глюкозу). Бактерии-азотофиксаторы, живущие в клубеньках на корнях бобовых, усваивают газообразный азот из атмос­феры, образуя доступные растениям соединения (аммиак, нитраты). Микроорганизмы, живущие в пищеваритель­ном тракте животных-фитофагов, помогают им переваривать пищу: так корова без помощи симбиотрофов не способна переварить поедаемую траву.

Редуценты (разрушители продукции) — организмы, которые по своему положению в экосистеме близки к детритофагам, так как тоже потребляют мертвое органическое вещество. Однако редуценты — бакте­рии и грибы — разрушают органические вещества до минераль­ных соединений, которые возвращаются в почвенный раствор и снова используются растениями.

 

 

Рис. 5. Классификация организмов по их роли в экосистемах