Лекции по "Биоэкологии"

Совокупность пищевых (трофических) цепей данного биоценоза  образует его пищевую (трофическую) сеть.

   Экологические  пирамиды. Продуктивность экологических систем и соотношение в них  продуцентов, консументов, редуцентов принято выражать графически в форме пирамид, которая впервые была предложена Ч. Элтоном и называется пирамидой Элтона. Экологические пирамиды бывают нескольких типов: пирамида биомассы характеризует общий вес; пирамида чисел отражает численность отдельных популяций организмов или групп разновидных популяций, объединенных единым трофическим уровнем; пирамида потока энергии (продуктивности) показывает величину потока энергии или величину продуктивности на последовательных трофических уровнях (Схемы 5,6).

Продуктивность  биоценозов. Различают первичную и вторичную продуктивность биоценозов. Первичной продуктивностью называют скорость, с которой солнечная энергия усваивается организмами-продуцентами (зелеными растениями) в процессе фотосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ синтезируемой биомассы. Различают два вида первичной продуктивности - валовую и чистую. Необходимо помнить, что часть образующейся биомассы постоянно выедается консументами. Поэтому продуктивность обычно больше, чем скорость прироста наблюдаемой биомассы.

Валовая первичная  продуктивность - это общая скорость фотосинтеза, включая скорость образования и той органики, которая за время измерений расходуется растениями на дыхание.  Чистая первичная продуктивность - скорость накопления вещества экологической системой за вычетом того вещества, которое израсходовано на дыхание. Продуктивность (или продукция) консументов называется вторичной продуктивностью.

  Поток энергии и круговорот химических элементов в экосистеме (схема 7). Любая экосистема состоит из биотических и абиотических компонентов, которые тесно взаимодействуют между собой, обмениваются веществом и энергией: живые организмы поглощают вещества и энергию из окружающей среды и возвращают их обратно в окружающую среду в процессе жизнедеятельности. Все живые организмы являются потребителями пищи, т.е. вещества и энергии. В процессе дыхания происходит высвобождение энергии из богатых ею веществ, полученных с пищей. "Энергия не создается и не исчезает"- гласит первый закон термодинамики. Она существует в разнообразных формах - световая, химическая, механическая, звуковая, тепловая, электрическая и.т.д. И все эти формы могут переходить одна в другую. Энергию можно определить как способность совершать работу. И все живые организмы можно рассматривать как работающие "машины", которым необходим постоянный приток энергии извне.

Живые организмы могут использовать только две формы энергии - световую и химическую. По источнику энергии все живые организмы подразделяются на фототрофные и хемотрофные. К фототрофным относятся организмы, которые синтезируют все необходимые им органические вещества за счет энергии света (фотосинтез), к ним относятся все растения и сине-зеленые водоросли. Хемотрофные организмы синтезируют органические вещества за счет энергии химических связей различных веществ. К ним относятся все животные и бактерии. В результате фотосинтеза все зеленые растения улавливают 1% солнечной энергии,  от всей падающей на поверхность Земли солнечной энергии, и эта энергия обеспечивает жизнедеятельность всех живущих на планете организмов  (закон 1% энергии). При переходе энергии с предыдущего  трофического уровня  на последующий  90 % энергии затрачивается на процессы жизнедеятельности и энтропию. Поэтому при переходе с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой потребляется в среднем 10% энергии биомассы или вещества в энергетическом выражении (закон Линдемана). Поэтому пирамида  энергии реально отражает поток энергии в экосистемах и всегда правильной формы.        Динамические процессы в экосистеме.  Важнейшее свойство экосистем - устойчивость, сбалансированность происходящих в них процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами. Экосистеме свойственно состояние подвижного равновесия - гомеостаза (греч. гомео - подобный, стазис - состояние). Гомеостаз обеспечивается механизмами обратной связи. Принцип обратной связи заключается в том, что некоторый управляющий компонент какой-либо системы получает информацию от управляемых компонентов, используя эту информацию для внесения коррективов в дальнейший процесс управления.  В экосистемах все время поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Любая экосистема всегда сбалансирована, т.е. устойчива (гомеостатична). Популяция хищников поддерживает на определенном уровне популяцию жертв (обратная положительная связь). Но резкое снижение численности популяции жертвы приведет к снижению и численности популяции хищника (обратная отрицательная связь). При некоторых условиях обратная отрицательная связь, то есть передача информации может быть по какой-либо причине нарушена. Нарушение сбалансированности системы может быть обратимым или необратимым.   Это нарушение  может вызвать хозяйственная деятельность человека. В зависимости от степени и времени воздействия  антропогенного фактора происходит нарушение стабильности или распад всей экосистемы. Многочисленные исследования с применением методов математического анализа показали, что экологические системы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее. Стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофической цепи.

          Сукцессия биогеоценоза. Гомеостаз, или подвижное равновесие экосистем не есть нечто застывшее. Любая экосистема меняется как во времени, так и в пространстве, при этом происходит изменение состава биоценоза, структуры экосистемы и ее продуктивности. Последовательная смена биоценозов, возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или воздействия человека, называется сукцессией (лат. сукцессио - следую). Смена биоценозов происходит в силу действия экологического закона сукцессионного замещения: "Природные биотические сообщества последовательно формируют закономерный ряд экосистем, ведущий к наиболее устойчивому в данных условиях состоянию климакса (греч. климакс - лестница)". Климакс - заключительное, относительно устойчивое состояние сменяющих друг друга экосистем (биоценозов), возникающие в результате сукцессий и соответствующие экологических условиям данной местности. Особый случай антропогенной сукцессии представляет собой сельское хозяйство. Распахав целинные участки и посеяв на ней ту или иную культуру, хозяйство получает определенный урожай, который представляет собой ассимилированные растениями питательные вещества почвы, кислород и углерод атмосферы, выносимые из экосистемы.

 

Основные схемы, иллюстрирующие содержание: Схемы 5,6.

 

Схема 5. Экологическая пирамида (по  К. Вилли и В. Детье, 1986). Цифры справа показывают соотношение биомассы различных уровней пищевой цепи	Схема 6. Пример пищевой цепи в дубовом  лесу, представленной в виде пирамиды Элтона (или пирамиды чисел)

 

              

 

Схема 7. Поток энергии в экосистеме.

 

 

Вопросы для  самоконтроля:

1. Что собой представляют экосистема и биогеоценоз, в чем их отличие?
2. Приведите примеры видовой и пространственной структуры биоценоза?
3. Какие существуют типы взаимоотношений между организмами в сообществе?
4. Как осуществляется поток энергии в экосистеме?
5. Что собой представляет трофическая структура биоценоза?
6. Какие типы пищевых цепей существуют? Приведите примеры?
7. Что отображают экологические пирамиды?
8. Чем определяется продуктивность экосистем?
9. Чем определяется устойчивость экосистем?
10. Что такое гомеостаз экосистемы и экологическая сукцессия?
11. Приведите примеры природных и антропогенных сукцессий?

Рекомендуемая литература:

 

1. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек.  М., «ФАИР-ПРЕСС»,2003.
2. Колумбаева С.Ж., Бильдебаева  Р.М. Общая экология. Алматы, «Қазақ университеті», 2006.
3. Бигалиев А.Б., Халилов М.Ф., Шарипова М.А. Основы общей экологии, Алматы, «Қазақ университеті», 2007.
4. Акимова Т.А., Хаскин В.В.. Экология. Человек-экономика-биота-среда., М., «ЮНИТИ», 2007.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        Лекция  10. Тема «Учение о биосфере»

Цель лекции – сформировать представление о  структуре биосферы,    роли  живого вещества, эволюции биосферы и  механизмах её  устойчивого развития.

Ключевые слова –   биосфера, ноосфера, живое вещество, геологический и геохимический фактор,   глобальные экологические проблемы.

Основные вопросы и краткое содержание:

7. Учение В.И.Вернадского о биосфере и ноосфере
8. Концепция живого вещества и его глобальная роль в биосфере
9. Концепция антропогенного воздействия как мощного геологического и геохимического фактора. Место человека в экологической системе 
10. Глобальные биогеохимические циклы
11. Современные проблемы биосферы 

     Учение о биосфере.  Начало учения о биосфере связывают с именем знаменитого французского натуралиста Ж-Б. Ламарка (1744-1829). Однако сам термин биосфера впервые был введен австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 году в работе по геологии Альп. Однако он не раскрывал содержания самого   понятия биосферы. И только В.И. Вернадский создал стройное учение о биосфере (Рисунок 1). Под биосферой В.И. Вернадский понимал тонкую оболочку Земли на стыке трех геологических сфер - литосферы, атмосферы и гидросферы, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. В атмосфере верхние слои жизни определяются озоновым экраном (наибольшая концентрация озона – О₃), расположенном на высоте 16-20 км. Гидросфера полностью пронизана жизнью до самых глубоких океанических впадин (Марианский желоб в Тихом океане ~11 км). В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях). Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах, на глубине 3 км температура достигает 100^о С. Основной особенностью биосферы является наличие в ней живого вещества – совокупности всех живых организмов, представляющих собой мощную геологическую силу. Под их влиянием происходит преобразование лика Земли. Они участвуют в образовании различных минеральных пород, пресной воды, атмосферы. Все живые организмы являются преобразователями солнечной энергии и влияют на геологические процессы. В биосфере происходит непрерывный круговорот различных веществ,  благодаря деятельности живых организмов (Схемы 8-10). Но поскольку биосфера получает энергию извне, то она является открытой системой. Неживой компонент биосферы – это те части трех геологических оболочек Земли, которые связаны с живым веществом биосферы сложными процессами миграции вещества и энергии. Границы биосферы являются границами жизни.

     Живое вещество  биосферы выполняет следующие  основные функции: энергетическую, деструктивную, концентрационную и средообразующую.                      

    Энергетическая функция выполняется зелеными растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных химических соединений. Эта энергия распределяется внутри экосистемы в виде пищи между животными. В конечном счете, эта энергия рассеивается в окружающей среде. Однако часть ее может накапливаться в отмершем органическом веществе и переходить в ископаемое состояние, образуя залежи горючих полезных ископаемых – торфа, каменного угля и нефти, являющихся энергетической базой для человеческого общества.

      Деструктивная функция заключается в разложении и минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород и вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений: углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и др., которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимаются специальные организмы – редуценты, или деструкторы.

      Концентрационная  функция заключается в избирательном накоплении организмами в процессе жизнедеятельности атомов веществ, рассеянных в природе. Одной из характерных особенностей живого вещества является  способность концентрировать химические элементы из разбавленных растворов. Наиболее активными концентратами являются микроорганизмы. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей полезных ископаемых (известняка, мела и т.д.).

      Средообразующая функция заключается в трансформации физико-химических параметров среды (атмосферы, литосферы и гидросферы)  в условия, благоприятные для существования организмов. Эта функция является совместным результатом всех трех рассмотренных выше функций живого вещества биосферы. Благодаря этой функции живое вещество создало и поддерживает в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, поддерживает стабильность существования организмов. Живое вещество способно восстанавливать условия и места обитания, нарушенных в результате природных катастроф или хозяйственной деятельности человека. Эту способность живого вещества к регенерации природных экологических условий выражает принцип Ле Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесий, суть которого состоит следующем: изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система поддерживает свою устойчивость и возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. В результате средообразующей функции в географической оболочке Земли произошли такие важнейшие события, как преобразование газового состава первичной атмосферы; изменение химического состава вод первичного океана; образование толщи осадочных пород в литосфере; возникновение на поверхности суши плодородного почвенного покрова.  Основой функционирования живого вещества в биосфере является биотический круговорот веществ, который обеспечивается взаимодействием трех функциональных групп.  Движущей силой этого круговорота является солнечная энергия.