 |
Лекция 6. Экосистема, биогеоценоз и их характеристики
|
|
|
|
На планете организмы освоили четыре среды обитания, которые сильно отличаются по специфике условий. Водная среда была первой сре-дой, в которой зародилась жизнь. В последующем живые организмы овладе-ли наземно-воздушной средой, затем создали и заселили почву. Четвертой средой жизни стали сами живые организмы, каждый из которых пред-ставляет целый мир для населяющих его паразитов и симбионтов. Среды обитания могут быть разнообразными, и соответственно у обитателей в ходе эволюции вырабатываются различные приспособления - адаптации.
Контрольные вопросы:
1. Что такое почва?
2. От чего зависит плодородие почвы?
3. Почему почву сравнивают с живым организмом?
4. Чем различаются круговороты веществ в почвах естественных биоце-нозов и искусственных?
5. Какие виды загрязнения почв вам известны?
6. Что такое эрозия почвы? Каковы её последствия?
7. Что такое паразитизм? Расскажите о разных формах паразитизма.
8. Многие паразиты имеют упрощенное строение тела по сравнению со свободноживущими родственными видами. Например, у свиного и бычьего цепней отсутствует кишечник, очень слабо развиты нервная система и органы чувств. Как вы думаете, почему?
9. Какой вред наносят паразиты сельскому хозяйству?
10. Как человек использует паразитов в своей практической деятельности?
11. Назовите известных вам паразитов растений? Как с ними бороться?
12. Какую роль играют домашние животные в распространении паразитов человека? Приведите примеры.
13. В чем сходство и различие паразитизма и хищничества? Приведите примеры.
14. В некоторых особо засушливых районах Австралии и Африки годовые ритмы размножения у местных видов птиц не проявляются. Они от-кладывают яйца через разные периоды времени сразу же после редких дождей. Объясните, в чем причины такого исключения?
|
|
|
Лекция 6. Экосистема, биогеоценоз и их характеристики
- Понятие об экосистемах и биоценозах и их границах.
- Правила функционирования экосистем.
- Компоненты и состав экосистем.
- Цепи питания и типы экосистем.
- Смена биоценозов (экологическая сукцессия)
Понятие об экосистемах и их границах; правила функционирования эко-систем; компоненты и состав экосистем; цепи питания и типы экосистем; смена биоценозов (экологическая сукцессия)
В природе все виды растений и животных распределяются не случайно, а всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы - природ-
ные сообщества. Такие комплексы взаимосвязанных видов, обитающих на опре-деленной территории с более или менее однородными условиями существова-ния, образуют биоценоз.
Биоценоз неразрывно связан с факторами неживой природы (почва, влажность, температура, климат в целом), образуя вместе с ними устойчивую систему, между компонентами которой протекает круговорот веществ. Такой устойчивой саморегулирующейся системе академик В. Н. Сукачев в 1940 году дал название биогеоценоз.
Свойства биогеоценозов:
1. Целостность - это взаимосвязь живых организмов друг с другом и со средой обитания за счет потоков энергии и вещества.
2. Устойчивость - это свойство биогеоценозов поддерживать равновесие при любых изменениях окружающей среды (т. е. переносить неблагоприятные условия и сохранять способность размножаться).
3. Самовоспроизведение - способность организмов к размножению, нали-чие в среде пищи и энергии, воссоздание среды обитания живыми организма-ми.
4. Саморегуляция - свойство различных популяций регулировать свою численность в зависимости от условий жизни и от численности других популя-ций.
|
|
|
В последнее время такие системы называют экосистемами.
Экосистема -основное понятие экологии. Термин был предложен в1935году английским экологом А. Тенсли. Экосистемы - это любая совокупность взаимодействующих организмов и условий среды. Между экосистемами, как имежду биогеоценозами, нет четких границ, одна экосистема постепенно пере-ходит в другую.
Рассмотрим пример саморегулирующейся системы, которая является ча-стью другой, более крупной экосистемы. Муравейник в лесу - это организован-ный коллектив, где распределены обязанности и все функции четко увязаны со средой: одни (строители) - добывают стройматериалы из лесного опада, другие «доят» тлей, добывая нектар для малышей (пример взаимопомощи и взаимоза-висимости), третьи следят за личинками, не выходя за пределы муравейника. Информация о любых изменениях в окружающей среде сразу же становится из-вестна всей семье, и немедленно принимаются меры для сохранения устойчи-вости этой системы. Саморегуляция любой экосистемы проявляется в том, что численность особей каждого вида поддерживается на определенном, относи-тельно постоянном уровне.
Экосистема муравейника входит в состав лесного биогеоценоза (экоси-стемы лиственного или хвойного леса). Экосистема леса, если он расположен
41 42
на берегу озера или вблизи реки, входит в состав водосборного бассейна, кото-рый представляет собой часть географического ландшафта.
Географический ландшафт - это часть биосферы. Таким образом, все эко-системы земного шара связаны между собой через атмосферу и Мировой океан, поскольку через них происходит постоянный круговорот энергии, продуктов жизнедеятельности, и составляют единое целое - биосферу.
Масштабы биогеоценотических группировок (экосистем) различны - от сообществ подушек лишайников на стволах деревьев или разлагающегося пня (это микросообщества), до населения целых ландшафтов: лесов, степей, пус-тынь и т. п. Но для всех форм сообществ, больших и малых, характерны общие законы функционирования и развития.
|
|
|
1. Сообщества всегда состоят из готовых частей (представителей отдель-ных видов или комплексов взаимозависимых видов).
Например: а) луг:
птицы
растения насекомые
насекомоядные животные
б) водоем:
Птицы (чайки)
Мелкая
Хищные рыбы (щука, же-
водоросли ракообразные рыба
рех)
(плотва,
Водоплавающие животные
уклейка)
(бобры, выдры, ондатры)
2. Части сообщества могут быть заменяемы. Один вид (или комплекс ви-дов) может вытеснить другой со сходными требованиями к условиям обитания
и занять его место. Например, одни виды злаков на лугу или в степи легко мо-гут быть заменены другими: ковыль заменяется типчаком и т. п.
3. Интересы многих видов в биоценозе прямо противоположны. Тем не менее виды-антагонисты существуют в рамках единого сообщества, например, хищник - жертва.
4. Сообщества основаны на количественной регуляции численности од-них видов другими. Например, численность травоядных зависит, с одной сто-роны, от количества растительной пищи, а с другой - от количества хищников.
5. Предельные размеры системы ограничиваются не внутренней наслед-ственной программой, а внешними причинами. Так, биоценоз сосняка может занимать небольшой участок среди болот или простираться на огромной терри-тории, если внешние условия однородны.
Биоценозы могут быть бедны или богаты видами. Видовая структура биоценоза -это разнообразие видов в нем и соотношение их численности илимассы.
Так, в полярных арктических пустынях и северных тундрах при крайнем дефиците тепла, в безводных жарких пустынях, в загрязненных сточными во-дами водоемах сообщества сильно обеднены видами, так как один или несколь-
ко факторов среды сильно отклоняются от оптимального уровня. Здесь выжи-вают виды с широкими пределами выносливости.
И, наоборот, везде, где условия абиотической среды приближаются к оп-тимальным, возникают сообщества, чрезвычайно богатые видами. Примеры та-ких сообществ - тропические леса, коралловые рифы с их многообразным насе-лением, долины рек в жарких районах и т. д.
|
|
|
При совместном произрастании растения, разные по высоте, занимают четко определенный ярус. Ярусность позволяет множеству растений существо-вать на одной территории и максимально использовать световые ресурсы сре-ды.
Какие же компоненты входят в каждую экосистему? Во-первых, живые организмы (их называют еще биотой).
Во-вторых, неживые (абиотические) факторы: атмосфера, вода, питатель-ные элементы, свет и др.
В-третьих, мертвое органическое вещество, содержащееся в почве, дет-
рит.
Все живые организмы экосистемы взаимодействуют между собой, обме-ниваясь веществом и энергией. Без постоянного поступления свободной энер-гии извне ни одна живая система не может существовать в течение сколько-нибудь продолжительного времени.
По способу питания и запасания энергии все организмы делятся на авто-трофов (от греческих аутос — сам, трофа — питание), гетеротрофов (гетерос — другой) и миксотрофов (микс — смесь).
Автотрофы -это организмы, способные синтезировать органические ве-щества из неорганических за счет различных источников энергии. Автотроф-ными организмами создается вся первичная биомасса, или биологическая про-дукция, на Земле. В зависимости от источников энергии различают фото авто-трофов и хемоавтотрофов. Практически единственным источником свободной энергии для Земли является солнечный свет. Фотоавтотрофы используют энер-гию солнечного света в процессе фотосинтеза, синтезируя из углекислого газа и воды органические вещества. К ним относятся все зеленые растения, сине-зеленые водоросли, некоторые бактерии, содержащие бактериохлорофилл. Хе-моавтотрофы получают энергию вследствие окисления соединений серы и же-леза. Эта группа организмов немногочисленна, к ним относятся серобактерии и железобактерии. Очень важна их роль в экосистемах подземных вод.
Гетеротрофы - это организмы, которые не способны использовать непо-средственно энергию Солнца и живут за счет энергии, запасенной автотрофами. Они используют органические вещества в процессе питания, разлагая их в ко-нечном счете вновь до углекислого газа и воды, а высвобожденная энергия рас-ходуется на различные процессы жизнедеятельности организмов.
Наиболее просто устроенные гетеротрофы разделяются на сапротрофов, питающихся мертвой органикой, и паразитов - питающихся живой.
У более сложно организованных организмов, например насекомых, раз-деление идет по типу пищи: копрофаги питаются фекалиями, детритофаги -
|
|
|
43 44
растительными остатками, фитофаги - растениями, энтомофаги - другими насе-комыми, хищники - животными более высоких систематических групп.
Млекопитающие делятся на растительноядных, падалеедов, хищников.
Миксотрофы -это одноклеточные организмы смешанного типа питания.
Они могут использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических (как фототрофы) и одновременно - органические вещества сре-ды выращивания (как гетеротрофы). Таким образом, они одновременно явля-ются и фототрофами, и гетеротрофами. К ним относятся одноклеточные водо-росли эвглена и хлорелла.
Внутри живого компонента любой экосистемы можно выделить по типу питания три группы организмов:
Состав экосистемы
Продуценты Консументы Редуценты
Продуценты —это автотрофы, которые из неорганических соединенийза счет энергии света синтезируют (продуцируют) органические вещества, яв-ляющиеся пищей для всех других организмов. К продуцентам относятся все растительные организмы (водоросли, мхи, папоротники, голосеменные и по-крытосеменные), а также хемоавтотрофы. Продуценты потребляют около 1% падающей на Землю солнечной энергии и превращают ее в энергию органиче-ских соединений.
Консументы (от греческого консуме-потребляю) -это животные гетеро-трофы, потребляющие готовые органические вещества, которые синтезировали продуценты. Консументы I порядка могут использовать органические вещества растений, т. е. продуцентами питаются травоядные животные (грызуны, зайцы, овцы и т. д. ), а также паразиты на растениях - грибы и другие растения. Их, в свою очередь, поедают консументы II порядка, которыми могут питаться кон-сументы III порядка (плотоядные животные - лисы, волки, медведи, коршуны и т. д. ). Все они используют энергию химических связей, запасенную в органиче-ских веществах продуцентами.
Редуценты -гетеротрофные организмы(бактерии, грибы, дождевые чер-ви, насекомые и т. д. ), разрушающие и минерализующие мертвые органические остатки. Главная их экологическая роль состоит в превращении органических веществ в неорганические.
В любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганиче-ских соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельно-сти организмов. В результате дыхания всех организмов, разложения трупов жи-вотных и растительных остатков (которое осуществляется редуцентами) орга-нические вещества превращаются в неорганические соединения, которые снова возвращаются в атмосферу и почву и снова могут быть использованы автотро-фами.
Но для переработки трупов редуцентам нужно время, поэтому в экоси-стеме всегда есть детрит - запас мертвого органического вещества. Детрит - это опад листьев на поверхности лесной почвы (сохраняется 2-3 года), ствол упав-
шего дерева (5-10 лет), гумус почвы (сохраняется сотни лет), отложения орга-нического вещества на дне озера (сапропель) и торф на болоте (сохраняется ты-сячи лет). Наиболее долго сохраняющимися детритами являются каменный уголь и нефть.
Соотношения между продуцентами, консументами и редуцентами, а так-же соотношения консументов разных порядков образуют экологическую струк-туру сообщества. Благодаря взаимодействию между этими организмами возни-кает главное свойство экосистемы - способность к саморегулированию.
Все три компонента тесно связаны в экологических системах. Организмы разных трофических групп (т. е. с разными способами питания) участвуют в процессе передачи пищи и энергии (рис. 3), т. е. образуют пищевые цепи.
Рис. 3. Общая схема пищевой цепи
Продуценты составляют начало всех пищевых цепей. Консументы, по-едая продуцентов, передают органические вещества от одного звена пищевой цепи к другому и соответственно делятся на несколько групп по порядку нахо-ждения в цепи. Редуценты как бы заканчивают круговорот веществ, завершают пищевые цепи, образуя неорганические вещества для вступления в новый цикл. Однако в реальных условиях в экосистемах различные цепи питания перекре-щиваются между собой, образуя разветвленные сети.
В биоценозах различают два типа пищевых цепей: пастбищную (выеда-ния) - рис. 4 и детритную (разложения) - рис. 5.
Например: листьями деревьев питаются гусеницы, ими - птицы, послед-ними - более крупные птицы-хищники. Это будет цепь выедания. Но наряду с цепями передачи энергии через живое органическое вещество (продуцент - консумент) существуют детритные пищевые цепи, где используется мертвое органическое вещество. Так, при разрушении листового опада работает целый
45 46
конвейер, в котором участвуют животные, грибы, микроорганизмы, дождевые черви, почвенные микроорганизмы.
Детритом — мертвым органическим веществом - питаются жук-мертвоед, перловица, мотыль, дафния (в водоеме).
На суше цепь питания обычно состоит из 3-4 звеньев. В водной среде цепь длиннее. При каждом переносе энергии от одного звена к другому боль-шая ее часть (80-90%) рассеивается в виде тепла, поэтому число звеньев в цепи не превышает 4-5.
Почти все животные (за исклю-чением редких, специализиро-ванных видов) используют разнообраз-ные источники пищи. Поэтому при выпа-дении одного звена в цепи не проис-ходит нарушения в системе. Соедине-ние многих трофических цепей обра-зует пищевую сеть экосистемы (рис.
6), а значительные изменения в любом из ее звеньев неизбежно отразятся на состоянии экосистемы в целом. Чем больше видовое разнообразие и богаче пищевые сети, тем устойчивее биоце-ноз.
Рис. 4. Пастбищная цепь выедания
Более крупные консументы (сойка)
Детрит Ястреб-перепелятник
Первичные детритофаги Вторичные детритофаги
(земляные черви, грибы, бактерии) (многоножки, простейшие, личинки насекомых)
Рис. 5. Детритная цепь разложения
Рис. 6. Пищевая сеть
Расположение звеньев пищевой цепи в определенной последовательности носит название экологической пирамиды. Например, на одном гектаре луга обитает несколько миллионов растений, около миллиона растительноядных на-секомых, несколько сотен тысяч хищных насекомых, пауков и не более десятка птиц. Таким образом, образуется пирамида (табл. 3), основание которой в мил-лион раз шире, чем вершина.
Таблица 3
Упрощенная схема экологической пирамиды (1) и пирамиды чисел (2)
| 1 птица | |
| Консументы III | 3 змеи |
| Консументы II | 4 лягушки |
| Консументы I | 5 кузнечиков |
| Продуценты | 12 травинок |
47 48
3. Типы экосистем. Различают автотрофные и гетеротрофные экосисте-мы. В автотрофных преобладают растения, они запасают энергию. Гетеротроф-ные используют готовую энергию.
Кроме того, существуют естественные (природные) и искусственные (ан-тропогенные) экосистемы. Влияние человека на естественную экосистему не-значительно, а искусственную он создает сам. Естественные автотрофные эко-системы - лес, луг, водоем.
Искусственные автотрофные системы -это сельскохозяйственные поля,
т. е. агроэкосистемы, или хемоавтотрофные - это системы в некоторых биоло-гических очистных сооружениях.
Естественные гетеротрофные -это экосистемы океанических глубин(животные и микроорганизмы существуют в них за счет «питательного дож-дя»), а также высокогорные.
Искусственные гетеротрофные экосистемы очень разнообразны:
1) города и промышленные предприятия (энергия поступает по линиям электропередач, нефте- и газопроводам; в цистернах автомашин и железнодо-рожных вагонах сырье и продукты питания поступают в город);
2) биологические очистные сооружения (получение биогаза);
3) фабрики по разведению дождевых червей;
4) плантации шампиньонов;
5) рыборазводные пруды (остатки пищи горожан превращаются в био-массу);
6) фермы по производству устриц, морских гребешков, рыб; по выращи-ванию жемчужных раковин, морской капусты - водоросли ламинарии;
7) в США - «Биосфера-2» площадью 1 га;
8) экосистемы космических аппаратов.
Живые организмы в процессе жизнедеятельности изменяют среду обита-ния, одни виды постепенно вытесняют другие, т. е. экосистемы эволюциони-руют во времени.
Последовательная смена во времени одних экосистем другими на опреде-ленном участке земной поверхности называется сукцессией . Она бывает обу-
словлена внутренними и внешними факторами.
Сукцессии, происходящие под влиянием внутренних факторов.
1. Зарастание скал: поверхность горной породы разрушается, сначала по-селяются лишайники, бактерии, грибы, затем травы, кустарники и деревья, жи-вотные. Характерный пример: деревья (березки) поселяются на старых камен-ных зданиях, водонапорных башнях, разрушенных замках и т. д.
2. Зарастание озера: происходит отмирание остатков растений и живот-ных, которые оседают на дне, озеро мелеет, растения с берегов распространя-ются к центру, и озеро превращается в низинное болото.
3. Зарастание обочин дорог, железнодорожного полотна, восстановление леса после вырубки, пожара; зарастание земель вокруг строительных площадок
и отвалов пустой породы около горных карьеров (Урал, Кузбасс).
Пионерное сообщество формируется в местах, ранее по каким-либо при-чинам лишенных жизни. Оно характеризуется бедностью видового состава, простыми пищевыми взаимоотношениями. Пионерное сообщество представле-но пионерными видами, некоторые из них (растения) способны фиксировать азот атмосферы, таким образом накапливая первичную биомассу.
Вначале селятся однолетние травы, затем многолетние, кустарники и де-ревья. Иногда таким землям помогает человек, он проводит рекультивацию, т. е. завозит дерн или семена луговых трав и сено.
Сукцессии, происходящие под влиянием внешних факторов.
Факторы, вызывающие сукцессию, связаны чаще всего с деятельностью человека:
а) выпас скота - луговые травы меняют видовой состав, рыхлокустовые заменяются плотнокустовыми.
б) в лесах, где люди отдыхают, вытаптываются высокие травы, остаются только устойчивые: мятлик, подорожник, птичья гречиха; ухудшаются условия для всходов, повреждается корневая система, из-за уплотнения почвы засыхает лес;
в) в озерах, если туда попадают минеральные удобрения, исчезают вод-ные растения, растущие в чистой воде, водоем заполняет ряска, начинают раз-множаться сине-зеленые водоросли, вода зацветает, исчезает большинство ви-дов рыб, остаются ротаны.
|
|
|
