ВВЕДЕНИЕ. В учебно-методическом пособии изложены основы функционирования водных организмов и их сообществ на основе биоэнергетических подходов

В учебно-методическом пособии изложены основы функционирования водных организмов и их сообществ на основе биоэнергетических подходов. Изложены основные методы определения их биомассы, продукции, дыхания и потребления пищи. Дается представление о биотическом балансе экосистем и способе его определения. Таким образом, данное пособие является введением в курс количественной гидробиологии и экологии. Приведены примеры количественных расчетов.

Биоэнергетика организмов и водных сообществ

Пособие может быть рекомендовано студентам и преподавателям ВУЗов в качестве практического руководства при изложении курса «Основ экологии» и «Общей гидробиологии».

Введение …………………………………………………………...……
Основные понятия и определения…...……………………………..
Биомасса и калорийность……………………………………………….
Методика определения сырой массы……………………………….
Методика определения сухой массы……………………………….
Определение калорийности…………………………………………
Первичная продукция………………………………………………….
Методы определения первичной продукции………………………
Основные факторы, определяющие первичную продукцию….....
Динамика роста популяций одноклеточных водорослей…….….
Вторичная продукция………………………………………………….
Основные понятия и показатели…………………………………...
Методы изучения роста и возраста животных…………………….
Общие закономерности роста животных………………………….
Способы определения продукции популяций и биоценозов……..
Дыхание…………………………………………………………………
Понятие об энергетическом обмене и основные определения…..
Методы определения дыхания (метаболизма)…………………….
Особенности дыхание растений и животных……………………..
Зависимость обмена от массы гидробионтов……………………..
Зависимость дыхания от внешних факторов среды………………
Питание и выделение…………………………………………………..
Методы определения питания и выделения……………………….
Методы определения усвояемости пищи………………………….
Пищевой рацион………………………………………...…………..
Трофическая структура и экологические пирамиды……………..
Биотический баланс и биогеохимические циклы…………………….
Биотического баланса водных экосистем и основы его составления………………………………………………………………
Определение составляющих энергетического баланса…………..
Биотический баланс на примере прибрежной зоны Одесского залива…………………………………………………………………….
Структура и основные типы биогеохимических циклов…………
Перечень контрольных вопросов………………………………………
Рекомендуемая литература…………………………………………….

В настоящее время экология переживает период количественного описания законов организации организмов в более сложные системы, каковыми являются популяции и сообщества. Гидробиология, или экология гидросферы, или гидроэкология, так же как и экология – наука о надорганизменных формах организации жизни, - изучает водные экосистемы, исследует их структуру и функционирование с целью управления ими. В этой связи современные задачи гидробиологии могут быть определены следующим образом: изучение общих закономерностей структурно-функциональной организации водных экосистем, определяющей потоки вещества и энергии в них; исследование закономерности потоков вещества и энергии в них; исследование зависимости потоков вещества и энергии от факторов среды, в том числе и антропогенных; изучение биологического фона акваторий и продукционных свойств входящих в них экологических систем.

Если учебные курсы «Ботаники» и «Зоологии» составляют основу представлений о структурной организации экосистем, то данный курс “Биоэнергетика организмов и водных сообществ” посвящен основам функционирования организмов и их сообществ на основе биоэнергетических подходов и, тем самым, дает ключ к решению вышеназванных задач гидробиологии.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Гидробиология, или экология гидросферы, или гидроэкология, также как и экология – наука о надорганизменных формах организации жизни, - изучает водные экосистемы, исследует их структуру и функционирование с целью управления ими.

В гидробиологии раньше, чем в экологии суши, началось изучение надорганизменных биосистем (планктона, бентоса, нектона и т.д.). Многие основные понятия, широко используемые в современной экологии, такие, например как биомасса, биоценоз, продукция, трофические уровни и др., были сформулированы на основании изучения жизни в различных водоемах и водотоках, т.е. пришли к нам из гидробиологии.

Так, немецкий ученый Карл Мебиус в 1877 году впервые сформулировал понятие «биоценоз», как сообщество организмов на устричной банке (совокупность популяций различных видов растений и животных, населяющих определенный биотоп).

Американский биолог С. Форбс в 1887 г. опубликовал свой классический труд об озере как «микрокосме» (озеро как целое). Исходя из стабильности озера он определял его независимость от окружающих условий.

С.А. Зернов (1903) Описывает 7 биоценозов Черного моря в своей книге «К вопросу об изучении жизни черного моря».

А. Тинеман – один из основоположников учения о типологии водоемов. В 1927 году публикует работу «Круговорот пищевых веществ в водоеме». Цепь круговорота состоит из 3-х звеньев (растения-низшие животные-рыбы).

Л.Л. Россолимо (1934) впервые вводит для понятия динамики веществ в водоеме новый термин – баланс.

Г.Г. Винберг (1937) основоположник работ по биотическому балансу органического вещества в водных экосистемах. Определил «чистую» продукцию как разницу между величиной фотосинтеза и дыхания, которая отражает величину накопления автохтонного органического вещества в водоеме.

К исследовательским вопросам, решаемым гидробиологией, относятся: 1) описание видового состава сообществ водных организмов; 2) учет количества организмов, их численности и биомассы; 3) решение междисциплинарных задач, в том числе

· рациональная эксплуатации живых ресурсов;

· прогнозирование состояния водных экосистем в условиях антропогенного воздействия;

· управление качеством вод (эвтрофирование);

1. изучение общих закономерностей структурно-функциональной организации водных экосистем, определяющей потоки вещества и энергии в них;

2. исследования зависимости потоков вещества и энергии от факторов среды, в том числе антропогенных;

3. разработка теории биологической продуктивности водных экосистем.

Нередко встречающееся еще и в наше время низведение гидробиологии до простого изучения видового состава, морфологических особенностей, биогеографии гидробионтов, их численности и биомассы приводит к упрощенному рассмотрению гидробиологии и тормозит ее развитие.

Примерно на рубеже XIX и XX веков биологи начали серьезно рассматривать идею о том, что природа функционирует как целостная система независимо от того, о какой среде идет речь: пресноводной, морской, наземной. Но только через пол века усилиями Л.Л. Россолимо (1934), Винберга (1936), Р. Линдемана (1942), Берталанфи (1950) и других были разработаны общие принципы и подходы в изучении экосистем, основанные на общей теории систем, положившие начало нового направления – количественной экологии экосистем.

Системный подход лежит в основе методологии современной гидробиологии. При этом под Системой понимается множество взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность (единство). Структура объекта – это взаиморасположение его составных частей, учитывающую совокупность связей объекта, которая обеспечивает его целостность.

В популяции различают: возрастную, половую, размерную структуру.

В сообществе и экосистеме: видовую, пространственную, трофическую и т.д.

Функция объекта – взаимосвязь отдельных частей в рамках целого, соотношение двух или группы объектов в пределах целого, при котором изменения одного приводят к изменению другого.

Биоэнергетика – раздел биологии, изучающий процессы превращения энергии в биологических системах.

Функционирование экосистемы обеспечивает взаимодействие трех основных компонентов: 1) поток энергии; 2) сообщества; 3) круговорот веществ. Сообщество представлено в виде пищевой сети, состоящей из автотрофов и гетеротрофов. Поток энергии направлен в одну сторону; часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток). Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.

В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, азот, фосфор и т.д.) и вода могут использоваться многократно.

Эффективность повторного использования и размер импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа экосистемы.

Анализ энергетических схем и моделей водных экосистем позволяет получить такие фундаментальные их характеристики, как:

· обеспеченность пищей отдельных компонентов сообщества,

· соотношение их реальной и максимально возможной продукции,

· степень вовлечения мертвого органического вещества в продукционный процесс.

Все экосистемы, даже самая крупная – биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию.

Функционирующая реальная экосистема должна иметь вход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ. Масштабы изменения среды на входе и на выходе чрезвычайно сильно варьируют и зависят от нескольких переменных:

1. Размеров системы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних условий);

2. Интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток);

3. Сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем сильнее нарушено это равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления);

4. Стадии и степени развития системы (молодые системы отличаются от зрелых меньшей устойчивостью).