БИЛИМ БУЛАГЫ

Экологическая характеристика вида

В природных условиях виды обычно генетически изолированы друг от друга. Любой вид представляет собой систему популяций, формирующих собственные экологические ниши в соответствующих биогеоценозах.

Экологическая ниша – это совокупность факторов среды, в пределах которых обитает тот или иной вид организмов, его место в природе, в пределах которого данный вид может существовать неограниченно долго.

Популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, длительно населяющих определенную часть его ареала, и относительно изолированную от других совокупностей того же вида.

ИНФОГРАФИКА

Популяционный ареал

Популяция обладает собственным ареалом. Он может расширяться или сужаться. Величина ареала животных в значительной мере зависит от степени подвижности особей. У растений величина ареала определяется расстоянием, на которое может распространяться пыльца, семена или вегетативные части, способные дать начало новому растению.

Численность популяции

Численность особей является специфичной для каждого вида (и соответственно для популяции). Большие популяции - численность более 500 экземпляров. У бактерий, насекомых, травянистых растений численность может достигать сотен тысяч и миллионов особей. Популяции крупных животных и больших древесных растений чаще всего бывают небольшими по численности. Уменьшение численности ниже оптимальной связано с изменением защитных свойств популяции, плодовитости и другими явлениями. Это может привести к исчезновению популяции, например, популяция амурского тигра численностью в 200 особей находится на грани исчезновения. Эволюционно длительное существование малой популяции маловероятно. В связи с этим стоит проблема исчезновения малых видов и необходимости их охраны.

Структура популяции

• половая - соотношение особей разных полов;
• возрастная - распределение по возрастным группам;
• пространственная - распределение особей по занимаемой территории.

Динамика популяции

Размеры популяции (пространственные и количественные) подвержены постоянным колебаниям. Численность и плотность популяции может изменяться. На динамику популяции влияют факторы окружающей среды. Колебания численности (популяционные волны) С.С. Четвериков (1880-1959) назвал «волны жизни». Этот экологический фактор влияет на изменение генетического состава популяции (происходит «перетасовка» генофонда). Таким образом, популяционные волны играют роль одного из факторов эволюции, резко и ненаправленно изменяющего генетический состав популяции. Этот фактор - поставщик материала для эволюции.

Различают непериодические и периодические колебания численности.

Изменение численности может быть: периодическим, например, сезонным (в среде обитания с четко выраженными сезонными изменениями условий: весна - размножение, зима - повышенная смертность) и апериодическим, например, катастрофическим (под действием пожаров, наводнений). Примером периодических колебаний являются сезонные изменения численности, например, беспозвоночных (мух, комаров и др.).

Плодовитость, смертность и миграции в популяции

Динамика численности популяций находится в прямой зависимости от плодовитости, смертности и способности особей популяции совершать миграции. Средняя величина плодовитости каждого ви¬да определилась исторически как приспособление, обеспечивающее пополнение убыли по¬пуляций. Поэтому естественно, что у менее приспособленных к неблагоприятным условиям видов высокая смертность в молодом (личиночном) возрасте компенсируется значительной плодовитостью. Численность и плотность популяции зависят также от ее смертности.

Она, как и плодовитость, изменяется в зависимости от условий среды, возраста и состояния популяции и вы¬ражается в процентах к начальной или чаще к средней величине ее. У большинства видов смертность в раннем возрасте всегда выше, чем у взрослых особей. У многих рыб до взрослой фазы доживает 1 – 2 % от числа выме-танной икры, у насекомых - 0,3 - 0,5 % от отложенных яиц.

На динамику численности популяции боль¬шое влияние оказывают миграции отдельных особей, т. е. обмен индивидуумов популяций. Это происходит при переселении их из одного местообитания в другое. Вместе с плодовито¬стью и смертностью миграции определяют ха¬рактер роста популяции и ее плотность. В основном миграции совершаются при подрастании молодняка и его расселении. Наиболее интен¬сивно расселение происходит при несбаланси¬рованных рождаемости и смертности. В резуль¬тате миграций устраняется избыток особей в одной популяции и компенсируется недостаток в другой, в которой по каким-то причинам смертность превышает рождаемость. В разных популяциях рождаемость, смертность и мигра¬ции различаются. Это приводит к сезонным и многолетним колебаниям численности популя-ции. Они специфичны для каждого вида и зави¬сят от множества причин, обусловливающих особенности плодовитости, смертности и по¬движности особей.

Возрастной и половой состав популяции

Любой популяции присуща определенная организация. Распределение особей по территории, соотношение групп особей по полу, возрасту, морфологическим, физиологическим, поведенческим и генетическим особенностям отражают соответствующую структуру популяции: пространственную, половую, возрастную и т.д. Структура формируется с одной стороны на основе общих биологических свойств видов, а с другой – под влиянием абиотических факторов среды и популяций других видов. Структура популяции имеет, таким образом, приспособительный характер. Разные популяции одного вида имеют как сходные особенности, так и отличительные, характеризующие специфику экологических условий в местах их обитания.

Популяция состоит из разных по возрасту особей. Для каждого вида характерны свои соотношения возрастных групп. А среди видов, размножающихся половым путем, имеются особи разных полов. При этом продолжительность жизни особей и время наступления половой зрелости у разных видов отличаются. Кроме общей продолжительности жизни и периода достижения половой зрелости, на возрастной состав популяции влияют длительность периода размножения, число приплодов в сезон, плодовитость и смертность разных возрастных групп. Мелкие грызуны могут давать три и более приплода в год

В целом, кроме адаптивных возможностей отдельных особей, на определенных территориях формируются приспособительные черты групповой адаптации популяции как надиндивидуальной системы, что говорит о том, что приспособительные особенности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее индивидов.

Возрастной состав — имеет важное значение для существования популяции. Средняя продолжительность жизни организмов и соотношение численности (или биомассы) особей различного возраста характеризуется возрастной структурой популяции. Формирование возрастной структуры происходит в результате совместного действия процессов размножения и смертности.

В любой популяции условно выделяются 3 возрастные экологические группы:

• предрепродуктивную;
• репродуктивную;
• пострепродуктивную.

К предрепродуктивной группе относятся особи, еще не способные к воспроизведению.

Репродуктивная – особи, способные к размножению.

Пострепродуктивная – особи, утратившие способность к размножению. Длительность этих периодов сильно варьируется в зависимости от вида организмов.

При благоприятных условиях в популяции имеются все возрастные группы и поддерживается более или менее стабильный возрастной состав. В быстро растущих популяциях преобладают молодые особи, а в сокращающихся — старые, уже не способные интенсивно размножаться. Такие популяции малопродуктивны, недостаточно устойчивы. Имеются виды с простой возрастной структурой популяций, которые состоят из особей практически одного возраста.

Например, все однолетние растения одной популяции весной находятся в стадии проростков, затем почти одновременно зацветают, а осенью дают семена.

У видов со сложной возрастной структурой популяций одновременно живут несколько поколений. Например, в стадах слонов имеются молодые, зрелые и стареющие животные.

Возрастные пирамиды популяции.
А - массовое размножение,
В - стабильная популяция,
С - сокращающаяся популяция

Например, человек рассматривается как биологический вид, имеющий сложную возрастную структуру. Устойчивость популяций вида проявилось, например, во время второй мировой войны.

Для исследования возpастных стpуктуp популяций используют гpафические пpиемы, напpимеp возpастные пиpамиды популяции, шиpоко используемые в демогpафических исследованиях.

Устойчивость популяций вида в значительной степени зависит и от половой структуры, т.е. соотношения особей разных полов. Половые группировки внутри популяций формируются на базе различий в морфологии (форма и строение тела) и экологии различных полов.

Например, у некоторых насекомых самцы имеют крылья, а самки нет, у самцов некоторых млекопитающих имеются рога, но они отсутствуют у самок, у самцов птиц яркое оперение, а у самок маскирующее.

Экологические различия выражаются в пищевых предпочтениях (самки многих комаров сосут кровь, а самцы питаются нектаром). Генетический механизм обеспечивает примерно равное соотношение особей обоих полов при рождении. Однако исходное соотношение вскоре нарушается в результате физиологических, поведенческих и экологических различий самцов и самок, вызывающих неравномерную смертность.

Анализ возрастной и половой структуры популяций позволяет прогнозировать ее численность на ряд ближайших поколений и лет. Это важно при оценке возможностей промысла рыбы, отстрела животных, спасения урожая от нашествий саранчи и в других случаях.

Генетические особенности популяции

Система взаимодействующих генотипов популяции или вида называется генофондом.

Математическая зависимость между частотами аллелей и генотипов в популяции была установлена в 1908 г. независимо друг от друга англ. математиком Дж. Харди и нем. врачом В. Вайнбергом на основе мыслительного эксперимента с абстрактным объектом - идеальной популяцией. Для нее характерно: бесконечно большая численность; абсолютное свободное скрещивание (случайное); отсутствие новых мута¬ций; отсутствие давления естественного отбора; отсутствие притока генов извне.

ВСТАВИТЬ КАРТИНКУ

Если наличие доминантного аллеля обоз¬начить р, а рецессивного аллеля - q, то кар-тина скрещивания между гетерозиготными особями представлена в таблице. Всегда сумма альтернативных аллелей р + q = 1. Тогда для частот генотипов: р2+ 2pq + q2 = 1. У больших природных популяций существует тенденция к такому равновесному состоянию. Этим объясняется также факт, что в больших природных популяциях (приближающихся в данный момент к идеаль¬ным) особи с рецессивными признаками сохраняются наряду с особями, несущими доминантные признаки.

Закон Харди-Вайнберга: частоты доминантного и ресессивного аллелей в идеальной популяции будут оставаться постоянными из поколения в поколение.

Экология сообществ

В природе популяции разных видов образуют сообщества или биоценозы.

Биоценоз (греч.bios-жизнь, koinos- общий) – организованная группа популяций разных видов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды. Вне зависимости от среды, от пространства биоценоз развиваться не может. Место обитания, место существования биоценоза называется биотопом

Термин «экосистема» впервые был предложен английским экологом А. Тенсли в 1935 г. Он рассматривал экосистемы как основные структурные единицы природы на планете Земля. Экосистема — комплекс из сообщества живых организмов и среды их обитания, в котором происходит обмен веществом и энергией. Виды экосистем бывают различными. Эти основные функциональные единицы биосферы подразделяет на отдельные группы и изучает экологическая наука.

Классификация экосистем по происхождению.

На нашей планете существуют различные экосистемы. Виды экосистем классифицируются определенным образом. Однако связать воедино все многообразие этих единиц биосферы невозможно. Именно поэтому существует несколько классификаций экологических систем. Например, разграничивают их по происхождению.

1. Естественные (природные) экосистемы. К ним относятся те комплексы, в которых круговорот веществ осуществляется без какого-либо вмешательства человека.
2. Искусственные (антропогенные) экосистемы. Они созданы человеком и способны существовать только при его непосредственной поддержке.

Естественные экосистемы

Природные комплексы, существующие без участия человека, имеют свою внутреннюю классификацию. Существуют следующие виды естественных экосистем по энергетическому признаку:

• находящиеся в полной зависимости от солнечного излучения;
• получающие энергию не только от небесного светила, но и от других естественных источников.

Первый из этих двух видов экосистем является малопродуктивным. Тем не менее такие природные комплексы крайне важны для нашей планеты, поскольку существуют на огромных площадях и влияют на формирование климата, очищают большие объемы атмосферы и т.д.

Природные комплексы, получающие энергию от нескольких источников, являются наиболее продуктивными.

Антропогенные экосистемы

Виды экосистем, входящих в эту группу, включают в себя:

• агроэкосистемы, появляющиеся как результат ведения человеком сельского хозяйства;
• техноэкосистемы, возникающие в результате развития промышленности;
• урбаноэкосистемы, являющиеся результатом создания поселений.

Все это виды антропогенных экосистем, созданных при непосредственном участии человека. Агроэкосистемы человек создает искусственно для получения продуктов питания. Они отличаются от естественных малой устойчивостью и стабильностью, однако более высокой продуктивностью. Типы и виды экосистем природного происхождения бывают различными. Причем экологи выделяют их исходя из климатических и природных условий их существования. Так, различают три группы и целый ряд разнообразных единиц биосферы.

Основные виды экосистем природного происхождения:

• наземная;
• пресноводная;
• морская.

ИНФОГРАФИКА

Кроме основных видов экосистем существуют и переходные. Это лесотундры, полупустыни и т. д.

Виды экосистем естественного происхождения находятся в той или иной зоне в зависимости от количества осадков и температуры воздуха. Известно, что климат в различных уголках земного шара имеет существенные различия. При этом неодинакова и годовая сумма выпадающих осадков. Она может находиться в пределах от 0 до 250 и более миллиметров. При этом осадки выпадают либо равномерно в течение всех сезонов, либо приходятся в основной доле на определенный влажный период. Разнится на нашей планете и среднегодовая температура. Она может иметь значения от отрицательных величин или достигать тридцати восьми градусов тепла. Различно и постоянство нагрева воздушных масс. Оно может, как не иметь существенных отличий в течение года, как, например, у экватора, так и постоянно меняться.

Основные характерные особенности экосистемы — ее безразмерность и безранговость.

Экосистемы не имеют определенной размерности. Гниющий пень с населяющими его беспозвоночными животными, грибами и бактериями представляет собой экосистему небольшого масштаба (микроэкосистема). Озеро с водными и околоводными организмами является экосистемой среднего масштаба (мезоэкосистема). А море с его многообразием водорослей, рыб, моллюсков, ракообразных — экосистема крупного масштаба (макроэкосистема).

Единицей классификации экосистем является биом — природная зона или область с определенными климатическими условиями и соответствующим набором доминирующих видов растений и животных.

Для обозначения подобных систем на однородных участках суши русский геоботаник В. Н. Сукачев в 1942 г. предложил термин «биогеоценоз».

Как видно из приведенного определения, биогеоценоз включает две структурные части — биоценоз и биотоп. Каждая из этих частей состоит из определенных компонентов, которые между собой взаимосвязаны.

Биогеоценоз и экосистема — близкие понятия, обозначающие биосистемы одного уровня организации. Общим признаком для этих систем является наличие в них обмена веществом и энергией между живым и неживым компонентами. Однако вышеуказанные понятия не являются синонимами. Экосистемы имеют разную степень сложности, разные масштабы, они могут быть естественными (природными) и искусственными (созданными человеком). В качестве отдельных экосистем могут рассматриваться капля воды из лужи с микроорганизмами, болотная кочка с ее населением, озеро, луг, пустыня и, наконец, биосфера — экосистема самого высокого ранга.

Биогеоценоз отличается от экосистемы территориальной ограниченностью и определенным составом популяций (биоценоз). Его границы определяются наземным растительным покровом (фитоценозом). Изменение растительности свидетельствует об изменении условий в биотопе и о границе с соседним биогеоценозом. Например, переход от древесной растительности к травянистой свидетельствует о границе между лесным и луговым биогеоценозами. Биогеоценозы выделяют только на суше. Следовательно, понятие «экосистема» более широкое, чем «биогеоценоз». Экосистемой можно назвать любой биогеоценоз, а вот биогеоценозом можно назвать только наземные экосистемы.

С точки зрения обеспечения питательными веществами биогеоценозы более автономны (независимы от других биогеоценозов), чем экосистемы. В каждом из устойчивых (существующих длительное время) биогеоценозов осуществляется свой круговорот веществ, сопоставимый по характеру с круговоротом веществ в биосфере планеты Земля, но только в гораздо меньшем масштабе. Экосистемы же более открытые системы. Это еще одно отличие биогеоценозов от экосистем.

ИНФОГРАФИКА

Структура экосистемы

Тюльпан Грейга

В экосистеме виды организмов выполняют разные функции, благодаря которым осуществляется круговорот веществ. В зависимости от роли, которую виды играют в круговороте, их относят к разным функциональным группам: продуцентам, консументам или редуцентам.

Продуценты (от лат. producens — создающий), или производители, — автотрофные организмы, синтезирующие органическое вещество из минерального с использованием энергии.

Автотрофы — живые организмы, которые производят свою пищу, то есть собственные органические соединения, из простых молекул, таких как углекислый газ.

Существует два основных типа автотрофов:

• Фотоавтотрофы (фотосинтезирующие организмы) такие, как растения, перерабатывают энергию солнечного света для получения органических соединений — сахаров — из углекислого газа в процессе фотосинтеза. Другими примерами фотоавтотрофов являются водоросли и цианобактерии.
• Хемоавтотрофы получают органические вещества благодаря химическим реакциям, в которых задействованы неорганические соединения (водород, сероводород, аммиак и т.д.). Этот процесс называется хемосинтезом.

Снежный барс

К фотоавтотрофам относятся все зеленые растения, лишайники, цианобактерии, автотрофные протисты, зеленые и пурпурные бактерии. Автотрофы являются основой каждой экосистемы на планете. Они составляют большинство пищевых цепей и сетей, а энергия, получаемая в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, поддерживает все остальные организмы экологических систем. Когда речь идет об их роли в пищевых цепях, автотрофы можно назвать продуцентами или производителями.

Гетеротрофы, также известные как потребители, не могут использовать солнечную или химическую энергию, для производства собственной пищи из углекислого газа. Вместо этого, гетеротрофы получают энергию, потребляя другие организмы или их побочные продукты.

Консументы I порядка – горные бараны или архары

Консументы (от лат. consumo — потребляю), или потребители, — гетеротрофные организмы, потребляющие живое органическое вещество и передающие содержащуюся в нем энергию по пищевым цепям. Существует множество видов гетеротрофов с разными экологическими ролями: от насекомых и растений до хищников и грибов. К ним относятся все животные и растения-паразиты. Люди также гетеротрофы. Роль гетеротрофов в пищевых цепях заключается в потреблении других живых организмов.

В зависимости от вида потребляемого органического вещества консументы подразделяются на порядки. Организмы, потребляющие продуцентов, называются консументами I порядка. К ним относятся растительноядные животные (саранча, грызуны, парно- и непарнокопытные животные) и растения-паразиты.

Консументов I порядка потребляют консументы II порядка, которые представлены плотоядными животными. Консументами III и последующих порядков являются плотоядные животные, питающиеся консументами II и последующих порядков. Количество порядков консументов в экосистеме ограниченно и определяется объемом биомассы, созданной продуцентами.

Редуценты (от лат. reducens — возвращающий), или разрушители, — гетеротрофные организмы, разрушающие отмершее органическое вещество любого происхождения до минерального. Образующееся минеральное вещество накапливается в почве и в дальнейшем поглощается продуцентами. В экологии отмершее органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения, называется детритом. Детрит — отмершие остатки растений и грибов, трупы и экскременты животных с содержащимися в них бактериями.

Роль редуцентов в природе очень велика. Без них в биосфере накапливались бы отмершие органические остатки, а минеральные вещества, необходимые продуцентам, иссякли бы. И жизнь на Земле прекратилась бы.

ИНФОГРАФИКА

Каждый организм должен получать энергию для жизни. Например, растения потребляют энергию солнца, животные питаются растениями, а некоторые животные питаются другими животными.
Живые организмы в экосистеме, мертвые их остатки и их отбросы являются пищей для других организмов. Питательные вещества, таким образом, переходят из одного организма в другой, образуя непрерывные пищевые цепи.

Пищевая (трофическая) цепь — это последовательность того, кто кого ест в биологическом сообществе (экосистеме) для получения питательных веществ и энергии, поддерживающих жизнедеятельность.

Уровни пищевой (трофической) цепи

Схема уровней пищевой (трофической) цепи

Пищевая цепь представляет собой линейную последовательность организмов, которые передают питательные вещества и энергию начиная с продуцентов и к высшим хищникам. Трофический уровень организма — это положение, которое он занимает в пищевой цепи.

Пищевая цепь начинается с автотрофного организма или продуцента, производящего собственную пищу из первичного источника энергии, как правило, солнечной или энергии гидротермальных источников срединно-океанических хребтов. Они усваивают из окружающей среды воду, неорганические(минеральные) соли, углекислый газ, кислород и с помощью фотосинтеза строят свое тело. Например, фотосинтезирующие растения, хемосинтезирующие бактерии и археи Следующие звенья цепи питания составляют консументы, которые поедают как продуцентов, так и себе подобных.

Пищевая цепь представляет собой линейную последовательность организмов, которые передают питательные вещества и энергию начиная с продуцентов и к высшим хищникам. Трофический уровень организма — это положение, которое он занимает в пищевой цепи.

Первый трофический уровень Пищевая цепь начинается с автотрофного организма или продуцента, производящего собственную пищу из первичного источника энергии, как правило, солнечной или энергии гидротермальных источников срединно-океанических хребтов. Они усваивают из окружающей среды воду, неорганические(минеральные) соли, углекислый газ, кислород и с помощью фотосинтеза строят свое тело.
Например, фотосинтезирующие растения, хемосинтезирующие бактерии и археи Следующие звенья цепи питания составляют консументы, которые поедают как продуцентов, так и себе подобных.

Второй трофический уровень Далее следуют организмы, которые питаются автотрофами. Эти организмы называются растительноядными животными или первичными потребителями и потребляют зеленые растения. Примеры включают насекомых, зайцев, овец, гусениц и даже коров.

Третий трофический уровень Следующим звеном в пищевой цепи являются животные, которые едят травоядных животных — их называют вторичными потребителями или плотоядными (хищными) животными (например, змея, которая питается зайцами или грызунами).

Четвертый трофический уровень В свою очередь, этих животных едят более крупные хищники — третичные потребители (к примеру, сова ест змей).

Пятый трофический уровень

Третичных потребителей едят четвертичные потребители (например, ястреб ест сов). Каждая пищевая цепь заканчивается высшим хищником или суперхищником — животным без естественных врагов (например, крокодил, белый медведь, акула и т.д.). Они являются «хозяевами» своих экосистем.
Когда какой-либо организм умирает, его в конце концов съедают детритофаги (такие, как гиены, стервятники, черви, крабы и т.д.), а остальная часть разлагается с помощью редуцентов (в основном, бактерий и грибов), и обмен энергией продолжается.

Типы пищевых цепей

Схема пастбищной пищевой цепи

Таким образом, пастбищный тип пищевой цепи зависит от автотрофного захвата энергии и перемещения ее по звеньям цепи. Большинство экосистем в природе следуют этому типу пищевой цепи.

Примеры пастбищной пищевой цепи:

• Трава → Кузнечик → Птица → Ястреб;
• Растения → Заяц → Лиса → Лев.

Детритная пищевая цепь

Схема детритной пищевой цепи

Этот тип пищевой цепи начинается с разлагающегося органического материала — детрита — который употребляют детритофаги. Затем, детритофагами питаются хищники. Таким образом, подобные пищевые цепи меньше зависят от прямой солнечной энергии, чем пастбищные. Главное для них — приток органических веществ, производимых в другой системе. К примеру, такой тип пищевой цепи встречается в разлагающейся подстилке умеренного леса

Энергия в пищевой цепи

Энергия переносится между трофическими уровнями, когда один организм питается другим и получает от него питательные вещества. Однако это движение энергии неэффективное, и эта неэффективность ограничивает протяженность пищевых цепей.

Когда энергия входит в трофический уровень, часть ее сохраняется как биомасса, как часть тела организмов. Эта энергия доступна для следующего трофического уровня. Как правило, только около 10% энергии, которая хранится в виде биомассы на одном трофическом уровне, сохраняется в виде биомассы на следующем уровне.

Этот принцип частичного переноса энергии ограничивает длину пищевых цепей, которые, как правило, имеют 3-6 уровней. На каждом уровне, энергия теряется в виде тепла, а также в форме отходов и отмершей материи, которые используют редуценты. Почему так много энергии выходит из пищевой сети между одним трофическим уровнем и другим? Вот несколько основных причин неэффективной передачи энергии:

• На каждом трофическом уровне значительная часть энергии рассеивается в виде тепла, поскольку организмы выполняют клеточное дыхание и передвигаются в повседневной жизни.
• Некоторые органические молекулы, которыми питаются организмы, не могут перевариваться и выходят в виде фекалий.
• Не все отдельные организмы в трофическом уровне будут съедены организмами со следующего уровня. Вместо этого, они умирают, не будучи съеденными.
• Кал и несъеденные мертвые организмы становятся пищей для редуцентов, которые их метаболизируют и преобразовывают в свою энергию.

Итак, ни одна из энергий на самом деле не исчезает.

Значение пищевой цепи

1. Исследования пищевой цепи помогают понять кормовые отношения и взаимодействие между организмами в любой экосистеме.
2. Благодаря им, есть возможность оценить механизм потока энергии и циркуляцию веществ в экосистеме, а также понять движение токсичных веществ в экосистеме.
3. Изучение пищевой цепи позволяет понять проблемы биоусиления.

В любой пищевой цепи, энергия теряется каждый раз, когда один организм потребляется другим. В связи с этим, должно быть намного больше растений, чем растительноядных животных. Автотрофов существует больше, чем гетеротрофов, и поэтому большинство из них являются растительноядными, нежели хищниками. Хотя между животными существует острая конкуренция, все они взаимосвязаны. Когда один вид вымирает, это может воздействовать на множество других видов и иметь непредсказуемые последствия.

ИНФОГРАФИКА

Экологические пирамиды

Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.

При схематическом изображении каждый уровень показывают в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствует численным значениям звена пищевой цепи (пирамида Элтона), их массе или энергии. Расположенные в определенной последовательности прямоугольники создают различные по форме пирамиды. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Правило экологической пирамиды

Итак, в основе цепей питания лежат зеленые растения. Зелеными растениями питаются и насекомые, и позвоночные животные, которые, в свою очередь, служат источником энергии и вещества для построения тела потребителей второго, третьего и т.д. порядков. Общая закономерность заключается в том, что количество особей, включенных в пищевую цепь, в каждом звене последовательно уменьшается и численность жертв значительно больше численности их потребителей. Это происходит потому, что в каждом звене пищевой цепи, на каждом этапе переноса энергии 80-90% ее теряется, рассеиваясь в форме теплоты. Это обстоятельство ограничивает число звеньев цепи (обычно их бывает от 3 до 5). В среднем из 1 тыс.кг растений образуется 100 кг тела травоядных животных. Хищники, поедающие травоядных, могут построить из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищники - только 1кг. Следовательно, живая биомасса в каждом последующем звене цепи прогрессивно уменьшается.

Различают три типа экологических пирамид: энергии, биомассы и численности.

В любой трофической цепи не вся пища используется на рост особи, т.е. на формирование биомассы (часть её расходуется на удовлетворение энергетических затрат организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т.д.). Следовательно, в каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы.

Пирамида численности или чисел — отображение числа особей на каждом из трофических уровней данной экосистемы.

Пирамиды чисел отражают только плотность населения организмов на каждом трофическом уровне, но не скорость самовозобновления (оборота) организмов.

Более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему является правило пирамиды продукции (энергии): на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времена (или энергии), больше, чем на следующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии на трофических цепях.

Перевёрнутые пирамиды

По этой причине пирамиды численности могут быть перевернутыми, т.е. плотность организмов в данный конкретный момент времени на низком трофическом уровне может быть ниже, чем плотность организмов на высоком уровне.

Например, на одном дереве может жить и кормиться множество насекомых (перевернутая пирамида численности).

Перевернутая пирамида биомасс свойственна морским экосистемам, где первичные продуценты (фитопланктонные водоросли) очень быстро делятся (имеют большой репродуктивный потенциал и быструю смену поколений). В океане за год может смениться до 50 поколений фитопланктона. Потребители фитопланктона гораздо крупнее, но размножаются значительно медленнее. За то время, пока хищные рыбы (а тем более моржи и киты) накопят свою биомассу, сменится множество поколений фитопланктона, суммарная биомасса которых намного больше.

Пирамидами биомасс не учитывается продолжительность существования поколений особей на разных трофических уровнях и скорость образования и выедания биомассы. Вот почему универсальным способом выражения трофической структуры экосистем являются пирамиды скоростей образования живого вещества, т.е. продуктивности. Их обычно называют пирамидами энергий, имея в виду энергетическое выражение продукции. Из трёх типов экологических пирамид пирамида энергии дает наиболее полное представление о функциональной организованности сообществ, так как отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.

Динамика биоценозов

Одной из характерной особенностей биоценозов являются разного рода изменения, происходящие в них во времени – в течение суток, по сезонам, на протяжении ряда лет, вплоть до смены геологических эпох.

Суточная и годовая динамика в биоценозах

В любом биоценозе существуют группы организмов, активность жизни которых выпадает на разное время суток. На суточную динамику биоценоза влияют как животное, так и растительное население. У растений ночью не бывает фотосинтеза, но у ряда растений цветки раскрываются только ночью и опыляются ночными насекомыми. Большое значение имеют суточные миграции животных. Например, зоо- и фитопланктон в Каспийском море днем держится на глубине от 100 до 350 метров, а ночью поднимается в верхние слои.

Более существенные сезонные изменения в биоценозах. Они связаны с сезонной цикличностью природных явлений. Смена времен года оказывает значительное влияние на жизнедеятельность животных и растений (спячка, зимний сон и миграции у животых,цветение, плодоношение, рост, листопад, и зимний покой у растений).

Суточная и сезонная динамика биоценозов связана в основном с ритмикой природных явлений и строго периодична. Но могут происходить и непериодические изменения, связаные с действием нерегулярных факторов среды. Например, сильные дожди и засухи приводят к передвижению животных, влияют на их активность, воздействуют на интенсивность обменных процессов у растений.

Экологическая сукцессия

Любые структурные особенности экосистем являются результатом их развития. Крупномасштабные стрессовые воздействия выводят экосистему из состояния равновесия, что часто приводит к ее разрушению. Они могут происходить по внутренним причинам (например, образование новых видов) или под влиянием внешних факторов (например, засоление, подтопление, вселение видов «чужих» фаун и флор), иметь естественное (например, в результате поднятия или опускание суши, пожаров, наводнений, извержений вулканов, землетрясений, отступания ледников) или антропогенное (вырубка леса, пожары, открытая добыча полезных ископаемых, загрязнения, затопления участков суши под водохранилища, расчистки территорий под пашни) происхождение, быть прогрессирующими (т.е. сопровождаться увеличением производительности и видового богатства) или, наоборот, регрессирующими.

После такого крупномасштабного нарушения " пострадавший" участок начинает возрождаться в несколько этапов.

Принципы экологической сукцесии

Сукцессия — это необратимое изменение одного биоценоза, появление другого. Оно может быть вызвано какими-либо природными явлениями или происходить под влиянием человека. Сукцессии бывают медленными (длятся тысячелетия и десятки тысяч лет), средними (столетие) и быстрыми (десятилетие).

Отдельные стадии часто называют сериальными стадиями. Каждая стадия сукцессии характеризуется определенным сообществом с преобладанием тех или иных видов или групп живых существ.

Типы сукцессий

Процесс формирования экологических систем занимает длительное время. Экологическая сукцессия обычно продолжается до тех пор, пока сообщество не станет стабильным и самообеспечивающимся. Требуется смена ряда поколений, пока не установится равновесие, характерное для стабильной экосистемы. Такое состояние окончательного равновесия называют климаксом, а конечное сообщество, занявшее нарушенный участок, называется зрелым сообществом.

В разных абиотических условиях формируются неодинаковые конечные климаксовые экосистемы. В сухом и жарком климате это будет пустыня; в жарком, но влажном - тропический лес и т.п. На планете выделяют несколько крупных наземных климаксовых экосистем, которые называют биомами: тундра, хвойные леса (тайга), леса умеренного пояса, степи, пустыни, саванны, дождевые тропические леса.

• 

  Принципы экологической сукцесии
• 

  Типы сукцессий

• 

  Принципы экологической сукцесии
• 

  Типы сукцессий

• 

  Принципы экологической сукцесии
• 

  Типы сукцессий

Основы учения о биосфере

Биосферой (от греч. bios - жизнь и sphaira -шар) именуют область существования ныне живущих организмов, охватывающую часть атмосферы до высоты озонового слоя, всю гидросферу и часть литосферы, особенно ее кору (глубиной примерно 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана). Границы биосферы являются одновременно и границами распространения жизни на Земле. Биосфера включает в себя как вещество и пространство, так и все живые организмы, которые здесь обитают.

Владимир Иванович Вернадский

Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит российскому ученому — Владимиру Ивановичу Вернадскому.

В начале XX в. В.И. Вернадский разработал учение о биосфере. Согласно Вернадскому, биосфера - оболочка Земли, населенная живыми организмами, активно ими преобразуемая. Жизнедеятельность организмов - это мощнейший фактор планетарного масштаба, обеспечивающий постоянный биогенный поток атомов из организмов в среду и обратно, который не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможна, если бы элементарный химический состав организмов не был близок химическому составу земной коры.

• Биосфера состоит из компонентов:
• Литосфера – каменная твердь планеты;
• Гидросфера – воды мирового океана;
• Нижняя часть атмосферы.

Эти геологические оболочки связаны круговоротом вещества и потоками энергии в процессе биогеоценозов.

Вернадский выделил в биосфере несколько типов веществ:

• живое вещество - биомасса всех живых организмов,
• биогенное вещество - вещество, созданное живыми организмами (нефть, газ),
• косное вещество - вещество, образованное без участия живых организмов (вода, песок и т.д.),
• биокосное вещество - вещество, созданное одновременно живыми организмами и неживой природой (почва).

Главной силой планеты является живое вещество, только оно способно преобразовывать себя и мир. Накапливая и преобразуя энергию Солнца, живая материя влияет на химический геологический состав всех слоев биосферы.

ИНФОГРАФИКА

Распространение организмов в биосфере:
1 — уровень озонового слоя, задерживающего жёсткое ультрафиолетовое излучение;
2 — граница снегов;
3 — почва;
4 — животные, обитающие в пещерах;
5 — бактерии в нефтяных скважинах;
6 — придонные организмы

Недаром её называют «плёнкой жизни». Верхняя граница биосферы определяется, во-первых, отсутствием кислорода, во-вторых, несовместимым с жизнью ультрафиолетовым излучением и, в-третьих, земным притяжением, которое приходится преодолевать. Красноречиво о третьем факторе говорит то, что птицы и насекомые, проводящие большую часть времени в воздухе, имеют сравнительно небольшие размеры, а вот громадные размеры китов или моржей, живущих в морях и океанах, обусловлены выталкивающей силой воды. Но даже морские гиганты очень глубоко не опускаются из-за многократно возрастающего давления водной толщи. В глубине морей и океанов живут отдельные виды рыб и других существ, которые приспособились к таким перегрузкам и постоянной тьме.

Ограничивающим фактором нижних пределов биосферы является температура: там, где она выше +50 °C и ниже -60 °C, в окружающей среде могут жить только споры, бактерии или сине-зелёные водоросли. Наибольшая концентрация жизни наблюдается там, где граничат воздух, суша и вода, а также имеется благоприятная температура, — в приливно-отливных зонах и в тропических лесах. Наименьшая — там, где наиболее суровые условия для жизни: в уже упомянутых морских глубинах, в зоне вечной мерзлоты, в пустынях и на высокогорных плато.

• 

  Характеристики биосферы
• 

  Границы биосферы

Свойства биосферы

Автотрофы создают в процессе фотосинтеза органические вещества и осуществляют преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, а гетеротрофы потребляют ее и разрушают органические вещества до минеральных соединений. Из минеральных веществ, образовавшихся при распаде органических соединений, автотрофы строят новые органические вещества, и так движение веществ идет без конца, как бы по кругу, циклично. Этот процесс длится сотни миллионов лет, с тех пор как возникла жизнь. Огромную роль в нем играет солнечная энергия.

Этот круговорот позднее был назван биотическим, или биологическим, круговоротом

Биологический круговорот как непрерывно идущая циркуляция химических элементов между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и почвой выступает главной силой, организующей биосферу в единую самоподдерживающуюся биосистему.

Процессы синтеза и распада живого вещества на нашей планете взаимосвязаны и идут только при наличии единого биологического круговорота атомов. Каждый новый цикл круговорота того или иного элемента (например, азота, фосфора) или соединения (углекислого газа, воды) не является точным повторением предыдущего, поскольку в этом процессе участвуют разные виды живых организмов.

Живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. Эти циклы делят на 2 основные группы: круговорот газов и осадочные круговороты. В первом случае главный поставщик элементов - атмосфера (углерод, кислород, азот), во втором - горные осадочные породы (фосфор, сера и др.).

Круговорот кислорода

Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Кислород не всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Под действием ультрафиолетовых лучей он превращался в озон. По мере накопления озона произошло образование озонного слоя в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой, как экран, надежно защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации, гибельной для живых организмов.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород соединяясь с которым кислород образует воду.

Круговорот воды

Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния.

Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны.
Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

Круговорот углерода

Источником углерода для фотосинтеза служит углекислый газ, находящийся в атмосфере или растворенный в воде. В составе синтезированных растением органических веществ углерод поступает затем в цепи питания через живые или мертвые ткани растений и возвращается в атмосферу снова в форме углекислого газа в результате дыхания, брожения или сгорания топлива. Продолжительность цикла углерода равна трем-четырем столетиям.

Круговорот азота

Растения получают азот в основном из разлагающегося мертвого органического веществом посредством деятельности бактерий, которые превращают азот белков в усвояемую растениями форму. Другой источник - свободный азот атмосферы - растениям непосредственно не доступен, но его связывают, т.е. переводят в другие химические формы, некоторые группы бактерий и сине-зеленые водоросли, они обогащают им почву. Многие растения находятся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями, образующими клубеньки на их корнях. Из отмерших растений или трупов животных часть азота, за счет деятельности других групп бактерий, превращается в свободную форму и вновь поступает в атмосферу.

Круговорот фосфора

Фосфор содержится в горных породах. Разрушаясь и подвергаясь эрозии, он поступает в почву, оттуда используются растениями. Деятельность организмов-редуцентов снова возвращает его в почву. Часть соединений фосфора смывается дождями в реки, а оттуда - в моря и океаны и используется водорослями. Но, в конце концов, в составе мертвого органического вещества он оседает на дно и снова включается в состав горных пород.

Влияние деятельности человека на биосферу

С момента появления человека в эволюции биосферы стал действовать антропогенный фактор. Когда люди только появились, они полностью зависели от биосферы. У первобытных людей еще не было развитого сельского хозяйства и орудий труда. Поэтому еду и среду обитания им давала природа, они полностью зависели от нее. Также она представляла для них и опасность.

Однако на протяжении истории человечества его воздействие на биосферу усиливалось. Человек научился вести сельское хозяйство, добывать полезные ископаемые, развил промышленность, научился использовать достижения цивилизации для жизни в неблагоприятных условиях среды. Все это привело к тому, что численность людей на Земле сильно увеличилась, и люди расселились повсюду.

Теперь уже речь идет не столько о влиянии биосферы на человека, сколько о влиянии человека на биосферу. Причем это влияние зачастую губительно для природы, разрушает ее. Человечество уничтожило многие виды живых организмов, другие стали редкими (таких заносят в Красную книгу). Неправильное ведение сельского хозяйства приводит к разрушению почв. Вырубаются леса, которые служат средой обитания для многих животных и производят много кислорода. Современный человек, можно сказать, вредит если не себе, то будущим поколениям.

Производственная и сельско-хозяйственная деятельность человека приводит к загрязнению окружающей среды. Загрязняются атмосфера, гидросфера, почва. Чтобы минимизировать это загрязнение и принудить предприятия к соблюдению экологических норм, правительства многих стран принимают законы, направленные на использование экологических производств. В мире создано много заповедников и заказников. В них деятельность человека ограничена или вообще запрещена. Это позволяет сохранить природу в неизменном виде.

Возникновение и развитие ноосферы

Эволюция органического мира на нашей планете прошла несколько этапов.
Первый этап характеризовался возникновением билогического круговорота веществ в биосфере.

Второй этап сопровождался формированием многоклеточных организмов и вследствие этого усложнением циклической структуры жизни. Эти два этапа часто называют биогенезом (от греч. bios -жизнь и genesis - происхождение, возникновение).

Третий этап связан с появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы и превращение ее в сферу разума - в ноосферу (от греч.noos - разум и sphaira - шар).
Понятие ноосферы было введено в употребление французскими учеными Э.Леруа и П.Тейяром де Шарденом в 1927 году. Они характеризовали ноосферу как особый, надбиосферный “мыслительный пласт”, который “окутывает планету”.

В 30-40-х гг. В.И.Вернадский дальше развил и углубил учение о ноосфере. Он понимал под ноосферой новый этап в развитии биосферы и призывал к разумному регулированию отношений человека и природы.

Вначале человек брал у биосферы средства к существованию и отдавал ей то, что в биосфере могли использовать другие организмы. Поэтому деятельность людей на этом этапе незначительно отличалась от деятельности других организмов. По мере развития человеческое общество начинало оказывать всё более разрушительное воздействие на биосферу. В современных условиях человек уже осознаёт, что он должен считаться с возможностями природы, а для этого необходимо знать её законы. Законы, по которым развивается природа, сформулированы американским учёным Барри Коммонером:

Первый закон - всё связано совсем. Любое изменение качества физико-химического состояния природной среды влияет на развитие каждого компонента. Второй закон - все должно куда-то деваться . Действие этого закона - главная причина кризиса природной среды , так как ничто не исчезает бесследно, а лишь перемещается с одного места на другое, переходит из одной молекулярной формы в другую, влияя на жизненные процессы организмов.

Третий закон - ничто не даётся даром. Глобальная экологическая система - единое целое, и то, что извлечено из природы должно быть возвращено в неё. Платежи за невозвращенное могут быть только отсрочены.

Четвертый закон - природа знает лучше. Этот закон предупреждает человека о необходимости разумного преобразования природных экосистем (строительство плотин, переброска стока рек ,мелиорация и т.д.).

Таким образом, при переходе биосферы в ноосферу перед человеком возникает огромная по масштабам и значению задача - научиться сознательно регулировать взаимоотношения общества и природы. Только целесообразная, осознанная и планомерная деятельность людей может обеспечить гармоническое развитие природы и общества. При этом ноогенез -этап становления ноосферы - предполагает развитие не только биосферы и общества, но и каждой отдельной личности.

Ноосфера - это период, когда человечество с помощью науки сможет осмысленно управлять природными и социальными процессами. Поэтому нельзя ноосферу считать оболочкой Земли. Ноосфера не может быть охвачена ни одной естественной наукой; здесь имеет место взаимодействие и взаимопроникновение естественных и общественных наук. При этом в проблеме ноосферы доминирующей является социальная сторона, а не наука и техника. Кризисные экологические ситуации, приближение глобального экологического кризиса, энергетический, продовольственный, экономический и другие кризисы - это результат социальных условий.

Антропосфера и техносфера

Теория ноосферы в работах ряда ученых тесно переплетается с двумя другими терминами. Во-первых, это «антропосфера». Понятие обозначает роль и место человека, а также его деятельности в пространстве. Антропосфера – это совокупность материальных сфер жизнедеятельности планеты, за развитие которых отвечает только человек. Во-вторых, это «техносфера». Есть две трактовки сущности термина. Согласно первой, данное явление – это частный случай трактовки антропосферы.

Техносфера – это совокупность областей жизнедеятельности человека, в которых задействуется техника. Это может быть как сама планета, так и космос. Согласно второй трактовке техносфера – это тот участок биосферы, который изменяется по причине технологического вмешательства человека. Есть, кстати, группа ученых, которые отождествляют техносферу и ноосферу, а есть исследователи, в понимании которых техносфера – промежуточное звено между биосферой и ноосферой.