Лекции по "Общей экологии"

любой живой организм имеет определенные, эволюционно  унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору. Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе – к его гибели.

Поэтому экологический фактор, уровень которого приближается к  любой границе диапазона выносливости организма или заходит за эту границу, называют лимитирующим фактором.

РЕАКЦИЯ ОРГАНИЗМОВ НА ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ  ФАКТОРОВ

Если влияние  условий среды не достигает предельных значений, живые организмы реагируют  на него определенными действиями или изменениями своего состояния что в конечном итоге ведет к выживанию вида. Преодоление неблагоприятных воздействий животными возможно двумя способами: 1) путем их избегания, 2) путем приобретения выносливости. Первый способ используют животные, обладающие достаточной подвижностью, благодаря которой они мигрируют, строят убежища и т. п.

Требовательность и толерантность  к факторам среды определяет область  географического распространения  особей рассматриваемого вида вне зависимости  от степени постоянства их обитания, т. е. ареал вида. Приобретение выносливости на изменение уровня экологических факторов реализуется путем адаптации.

Адаптация

Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются  под действием естественного  отбора, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. Приспособление может происходить на уровне клетки, тканей и даже целого организма, затрагивая форму, размеры, соотношение органов и т.п. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, т. е. происходит адаптация.

Различают три уровня процесса адаптации.

Генетический  уровень.

Глубокие изменения обмена веществ.

Быстрые изменения  в ответ на кратковременные отклонения факторов среды.

Выживание вида обеспечивается его генетическим разнообразием и слабыми колебаниями  экологических факторов.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША ОРГАНИЗМА

Местообитание – пространственно ограниченная совокупность условий среды (абиотической и биотической), обеспечивающая весь цикл развития и размножения особей (или группы особей) одного вида.

Экологическая ниша – это совокупность

• всех требований организма к условиям среды обитания (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются;

• всего множества биологических  характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования  того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными.

Сколько на Земле видов  живых организмов – столько же и экологических ниш.

Принцип конкурентного  взаимоисключения:

Правило обязательности заполнения экологических ниш:

Большинство видов  растений и животных приспособлены к существованию лишь в узком диапазоне климатических условий и иных характеристик окружающей среды, питаются ограниченным набором растений или животных. Такие виды имеют специализированную нишу, определяющую их местообитание в природной среде.

Видам с общими нишами характерна легкая приспосабливаемость к изменениям экологических факторов среды обитания

ОРГАНИЗМЫ — ИНДИКАТОРЫ КАЧЕСТВА СРЕДЫ

Чувствительность  организмов к изменениям условий  среды и особенно к наличию  конкретных химических примесей положена в основу биологической индикации и биотестирования, которые используют наряду с методами оценки загрязнения природной среды с помощью приборов. Редкие, виды часто являются лучшими индикаторами (показателями) состояния среды. Их исчезновение служит доказательством неблагоприятных воздействий, на среду обитания в конкретных местах.

Наибольшее распространение  получил метод лихеноиндикации (от лат. lichen – лишайник), основанный на учете количества лишайников в городских насаждениях, районах крупных предприятий.

 

 

ЭКОЛОГИЯ  ПОПУЛЯЦИЙ (ДЕМЭКОЛОГИЯ)

Вид – совокупность особей, способных к скрещиванию и образованию плодовитого потомства, населяющих определенный ареал (область географического распространения), обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой, отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных форм. Вид – качественный этап процесса эволюции.

Популяция – это минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу.

Основными экологическими характеристиками популяции считаются:

• величина по занимаемому пространству и по численности особей;

• структура возрастная, половая, пространственная, экологическая и др.;

• динамика.

Популяционные законы

1 Существуют  определенные верхние и нижние  пределы для размеров плотности  (численности) популяции, которые соблюдаются в природе или которые теоретически могли бы существовать в течение сколь угодно длительного отрезка времени в условиях стабильности среды обитания.

2 Регулирование численности  популяции есть результат комплекса  воздействий абиотической и биотической среды в местообитании вида.

3 В популяции имеется  тенденция к образованию теоретически  максимально возможного количества  новых особей.

ЭКОЛОГИЯ  СООБЩЕСТВ (СИНЭКОЛОГИЯ)

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

Биоценоз обозначает организованную группу популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства.

Любой биоценоз занимает определенный участок абиотической среды. Биотоп – пространство с более или менее однородными условиями, заселенное тем или иным сообществом организмов.

 

Трофическая структура биоценозов

Важнейший вид  взаимоотношений между организмами  в биоценозе, фактически формирующими его структуру, – это пищевые связи хищника и жертвы: одни – поедающие, другие – поедаемые. При этом все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов:

 

Пищевые цепи и сети

Пищевая цепь – это последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами. Организмы второго трофического уровня называют первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко более шести.

Существуют  два главных типа пищевых цепей  – пастбищные (или «выедания») и  детритные (или «разложения»).

Всеядные животные (в частности, человек) питаются и консументами, и продуцентами. Таким образом, в природе пищевые цепи переплетаются, образуют пищевые (трофические) сети.

 

Экологические пирамиды

Для наглядности  представления взаимоотношений  между организмами различных  видов в биоценозе принято  использовать экологические пирамиды, различая пирамиды численности, биомасс и энергии.

Пирамида численности

Пирамида биомасс

Пирамида энергий

Закономерности  трофического оборота в биоценозе

Правило десяти процентов

С одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице» продуцент – консумент – редуцент), в среднем около 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды.

Правило биологического усиления

Вместе с  полезными веществами с одного трофического уровня на другой поступают и «вредные» вещества. Однако если полезное вещество при его излишке легко выводится из организма, то вредное не только плохо выводится, но и накапливается в пищевой цепи.

Закономерности  саморегулирования биоценозов,

 экологическое  дублирование

1 В природе не существует полезных и вредных птиц, полезных и вредных насекомых, там все служит друг другу и взаимоприспособлено.

2 Виды в биоценозе приспособлены  друг к другу настолько, что  их сообщество составляет внутреннее противоречивое, но единое и взаимно увязанное системное целое.

3 При неизменном энергетическом потоке в пищевой сети или цепи более мелкие наземные организмы с высоким удельным метаболизмом создают относительно меньшую биомассу, чем крупные. Значительная часть энергии уходит на поддержание обмена веществ.

 

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Экологическая система (экосистема) – совокупность популяций различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих между собой и окружающей их средой таким образом, что эта совокупность сохраняется неопределенно долгое время.

Члены сообщества так тесно  взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать  отдельно от биотопа. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза. Понятие  биогеоценоза ввел В.Н.Сукачев (1942). По определению В.Н.Сукачева биогеоценоз (от греч. bios-жизнь, ge-Земля, ценоз-сообщество) – это совокупность однородных природных элементов (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий) на определенном участке поверхности Земли. Контур биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза).

Самая крупная природная  экосистема на Земле – биосфера. Биомы – наиболее крупные наземные экосистемы соответствующие основным климатическим зонам Земли (пустынные, травянистые и лесные).

Функционирование  экосистем

Круговорот  биологический (биотический) – явление непрерывного, циклического, закономерного, но неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации – от биогеоценоза до биосферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом биотического обмена.

Круговорот  биогенных элементов

Круговорот углерода

В ходе фотосинтеза атомы  углерода переходят из состава углекислого  газа СО₂ в состав глюкозы и других органических веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых существ экосистемы.

Круговорот  фосфора

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор –  один из самых редких в доступных  резервуарах на поверхности Земли. В природе он содержится в различных природных минералах (прежде всего в ряде горных пород) в виде неорганического фосфат-иона. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. При разрушении горных пород или выщелачивании атмосферными осадками соединения фосфора растворяются. Далее из водного раствора РО^3–₄ поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфора».

Круговорот  азота

Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот атмосферного воздуха, но растения не способны усвоить его в газообразном виде. Абсолютному большинству организмов азот доступен только в составе ионов аммония (NН⁺₄) или нитрата (NО^–₃). В природных условиях существует ряд механизмов перехода азота из газообразного N₂ в фиксированную форму

Возврат азота в атмосферу (минерализация) есть результат деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих  нитраты до свободных азота и  кислорода.

Эвтрофикация  водоемов – обогащение водоема биогенными элементами, стимулирующими рост фитопланктона (приводит к сукцессии озер: олиготрофные (богатые кислородом и бедные минеральным азотом и фосфором) ® эвтотрофные (старые, бедные кислородом), т.е. естественная сукцессия, занимающая тысячи лет, заменяется антропогенной).

Сукцессия

Динамика экосистемы определяется серией сменяющих друг друга сообществ.

Экологическая сукцессия (от лат. successio – преемственность, наследование), сукцессионное замещение или биологическое развитие – развитие, при котором в пределах одной и той же территории (биотопа) происходит последовательная смена одного биоценоза другим в направлении повышения устойчивости экосистемы;

Сукцессионный ряд – цепь сменяющих друг друга биоценозов. Процессы сукцессии занимают определенные промежутки времени. Чаще всего это – годы и десятки лет, но встречаются и очень быстрые смены сообществ, например, во временных водоемах.

Сукцессия завершается формированием  сообщества, наиболее адаптированного  по отношению к комплексу сложившихся  климатических условий.

По общему характеру сукцессии делят на первичные и вторичные.

 

Лекция 3

БИОСФЕРА

Биосфера (от греч. bios – жизнь, sphaira – шар) – область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему – совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты. Заслуга создания