Экологические сукцессии

Продуктивность экосистем

Экологические пирамиды.

Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни.

Трофическая структура биоценоза

Первое и второе начало термодинамики

Поток энергии и круговорот химических элементов в экосистеме

Экологическая ниша

Принцип конкурентного исключения Г. Ф. Гаузе

Межвидовая конкуренция как один из основных механизмов поддержания видовой стуктуры сообщества

Понятие о биоценозе, биотопе, биогеоценозе и экосистемах

На 2012-2013 учебный год

Лекция № 6-7 по теме: Экология сообществ – синэкология

старший преподаватель к.т.н. Абсеитов Е.Т.

План:

7. Правило 1% и 10% энергии Линдемана

Популяции разных видов в природных условиях объединяются в системы более высокого ранга – сообщества и биоценоз.

Организованная группа взаимосвязанных популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов называется биоценозом.

Компоненты биоценоза: фитоценоз – растительность, зооценоз – животный мир, микробиоценоз – микроорганизмы.

Биоценозы, как и популяции, – это надорганизменный уровень организации жизни, но более высокого порядка.

Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов. Главными лимитирующими факторами являются температура, влажность и недостаток пищевых ресурсов. Виды, которые преобладают по численности называют доминантными, или просто доминантами. Но среди них есть такие, без которых другие виды существовать не могут. Их называют эдификаторами. Они определяют микросреду всего сообщества. Эдификаторы – это растения – ель, сосна, кедр, ковыль, а иногда животные – сурки.

В пространственной структуре биоценоза, особенно фитоценоза выделяют ярусность и мозаичность.

Кроме того, есть понятие биотопа – место обитания биоценозов.

Биоценоз и биотоп вместе образуют биологическую макросистему еще более высокого ранга – биогеоценоз.

Экосистема – это объективно существующая часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы, и в которой живые и неживые ее элементы взаимодействуют как единое целое, и связаны между собой обменом веществ и энергией.

Термин «экосистема» введен английским ботаником А. Тенсли в 1935 году.

К экосистемам можно относить – от пруда до Мирового океана, в лесу – от пня до тайги. В связи с этим экосистемы делят на: микроэкосистемы (подушка лишайника и т.п.); мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др); макроэкосистемы (континент, океан) и глобальную экосистему (биосфера Земли), или экосферу – интеграцию, всех экосистем мира.

Природные экосистемы – это открытые системы, они могут быть самого различного объема и протяженности.

Антропогенные экосистемы – агроэкосистемы, аквакультуры и волокнистые материалы.

Агроценозы – искусственные экосистемы. В постоянной борьбе человека с сорняками и вредителями культурных растений часто возникает эффект «экологического бумеранга».

Выделяют 9 типов наиболее важных межвидовых взаимодействий (по Ю. Одуму, 1986):

1) нейтрализм (ассоциация двух видов популяций не сказывается ни на одном из них);

2) взаимное конкурентное подавление;

3) конкуренция из-за ресурсов;

4) аменсализм (антибиоз) – одна популяция подавляет другую, но сама при этом не испытывает отрицательного влияния;

5) паразитизм;

6) хищничество;

7) комменсализм – одна популяция извлекает пользу от объединения с другой, а для другой популяции это объединение безразлично;

8) протокооперация – обе популяции получают пользу от объединения;

9) мутуализм (симбиоз) – связь благоприятна для роста и выживания обеих популяций, причем ни одна из них не может существовать без другой.

Взаимодействия с 1-го по 6-е – отрицательные виды взаимодействий, а с 7-го по 9-е – положительные.

Конкуренция – отрицательные взаимодействия двух организмов, которые стремятся к одному и тому же (Ю. Одум).

Экологическое разобщение близкородственных видов получило назва- ние принципа конкурентного исключения, или принципа Гаузе (1934 г.). Межвидовая конкуренция за ресурсы может касаться пространства, пищи, биогенных веществ и т.п. Внутривидовая конкуренция – соперничество между особями одного вида.

Конкуренция проявляется обычно в борьбе за экологические ниши.

Экологическая ниша – место вида в природе, включающее отношение к абиотическим условиям существования. Х.Одум образно

представил экологическую нишу как занятие «профессию», а его местообитание – это «адрес» вида.

Экологическая ниша – это область комбинаций таких значений факторов среды, в пределах которой данный вид может существовать неограниченно долго. Два различных вида не занимают одинаковые экологические ниши, но есть близкородственные сходные виды, которым требуется одна и та же ниша.

Химические превращения в природе и все биологические процессы в экосистемах подчиняются законам термодинамики.

І закон – эакон сохранения энергии гласит: для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной.

Энергия может только перераспределяться, либо переходить в другую форму, но возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть не может.

ІІ закон – эакон энтропии: процессы, связанные с превращением энергии, могут самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. Например, газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются; сахар растворяется в воде, но обратно не выделяется в виде твердого вещества.

Единственным первичным источником внешней энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнца. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует энергию Солнца для процесса дыхания. Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза,

6СО₂ + 12Н₂О ^{солнечная энергия} C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

служат источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т.д.

Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения. Разнообразные организмы разлагают остатки биомассы на неорганические составные части, способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Энергия, содержащаяся в пище не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере требуется постоянный приток энергии извне. Применительно к этому явлению существует правило одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия).

Чтобы биосфера продолжала существовать и на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Другими словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других организмов форму.

Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогенный и биохимический).

Большой круговорот длится сотни миллионов лет. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры.

Малый круговорот проходит в границах обитаемой биосферы. Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза. Это означает, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов – консументов. Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и лизофауной вновь разлагаются до минеральных компонентов доступных растениям и поэтому вновь вовлекаемых ими в поток вещества. Такой круговорот называется биогеохимическим циклом.

Эти круговороты в биосфере делят на:

1) круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (N₂, O₂, CO₂, водяные пары) и

2) круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (Р, Са, Fe).

Круговорот воды. Циркуляция воды между мировым океаном и сушей – важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновременно вода в геологическом круговороте способствует постепенному разрушению литосферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.

Круговорот углерода зависит от деятельности живых организмов. В процессе дыхания СО₂ снова переходит в атмосферу. СО₂ создается также в морях и океанах. СО₂ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

Круговорот азота. Азот не испаряется напрямую живыми организмами. Круговорот отуществляют микроорганизмы, превращая азот в усвояемую форму.

Круговорот кислорода. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2 тысячи лет.

Продуктивность экосистемы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в качестве пищи.

Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так 4-6 раз с одного трофического уровня на другой.

Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень – это продуценты, все остальные – консументы. Второй трофический уровень – это растительноядные консументы, третий – плотоядные консументы, четвертый – консументы, потребляющие других плотоядных. Трофические цепи экосистем переплетаются, образуя трофические сети. Трофическую структуру изображают в виде экологических пирамид.

Известны три основных типа пирамид:

1) пирамида чисел (численность организмов на каждом уровне);

2) пирамида биомассы (масса живого вещества);

3) пирамида продукции (энергии).

Р. Линдеман (1942) сформулировал правило 10%:

С одного трофического уровня пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень, в среднем около 10% энергии, поступивший на предыдущий уровень пирамиды.

Живые компоненты любого биогеоценоза можно разделить на 3 части:

1 ) продуценты – производители первичной продукции (зеленые растения);

2) консументы: первичные – растительноядные животные, вторичные – плотоядные животные и т.д.;

3) редуценты (разрушители, деструкторы) – грибы и микроорганизмы.

Кроме того, выделяют следующие компоненты:

1) неорганические вещества (углерод, азот, углекислый газ, вода и т.д.), включающиеся в круговорот;

2) органические соединения (белки, углеводы, липиды и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части;

3 ) воздушную, водную и субстратную среду.

Органическая масса, создаваемая продуцентам и в единицу времени – первичная продукция, а прирост за единицу времени массы консументов – вторичная продукция.

Первичная продукция делится на валовую и чистую.

Валовая первичная продукция – это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени, включая и траты на дыхание. Часть валовой продукции, которая не израсходована «на дыхание», называется чистой первичной продукцией и именно эта продукция потребляется консументами и редуцентами. Все живые компоненты экосистемы – продуценты, консументы и редуценты составляют общую биомассу сообщества в целом.

Стремясь к поддержанию равновесия, экосистемы способны к развитию. Определенные последовательные изменения состояния биогеоценозов местности называют сукцессиями.

Для возникновения сукцессии необходимо свободное пространство.

Различают первичную сукцессию – если формирование сообществ начинается на первоначально свободном субстрате, и вторичную сукцессию – последовательную смену одного сообщества более совершенным.

В качестве примера первичной сукцессии обычно рассматривают зарастание еловым лесом новых территорий.

Примером природной сукцессии является «старение» озерных систем (эвтрофикация): озеро – болото. Но и она не вечна. На месте болота может возникнуть лесная экосистема.

Вторичная сукцессия является следствием деятельности человека. Cмена растительности чаще происходит на месте вырубки леса. Эвтрофикация также является примером вторичной сукцессии.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение биоценозу, биотопу, биогеоценозу и экосистеме.

2. Назовите типы отношений между организмами в экосистемах.

3. В чем суть принципа конкурентного исключения Г. Ф. Гаузе?

4. Что такое экологическая ниша?

5. Охарактеризуйте поток энергии и круговорот химических элементов в экосистеме.

6. Как читается первое и второе начало термодинамики?

7. Как читается правило 1% и 10% Линдемана?

8. Что такое пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни?

9. Что такое экологические пирамиды? Назовите виды экологиче -ских пирамид.

10. Что такое экологические сукцессии?

Дата добавления: 2014-01-07