1.
2.
Что такое экология? Какой ученый предложил термин «экология» и когда? Структура общей экологии.
Немецкий биолог Эрнст Геккель
в 1866 г. предложил термин экология ("ойкос"- дом и "логос"- наука) как наука о доме, о хозяйствовании в нем. Сегодня классическая экология
- это наука об изучении взаимоотношений живых организмов между собой и с окружающей их средой. Основным объектом
исследования экологии являются экосистемы. Самой крупной в иерархии экосистем является биосфера. Учение о биосфере - это обширная область знания о функционировании и развитии биосферы, включающая в себя целый ряд научных направлений естественнонаучного и общественного профиля. Учение о биосфере включает в себя общую экологию, которая состоит из четырех основных разделов: биоэкологии, геоэкологии, экологии человека и прикладной экологии.
Современная экология представляет собой значительный цикл знаний, вобравшей в себя разделы биологии (физиология, биохимия, генетика и др.), небиологических наук (географии, геологии, химии, физики), социологии, психологии, культурологии, экономики, педагогики, юридических и технических наук.
3.
Что такое прикладная экология? В чем состоит сходство и различие между инженерной и промышленной экологией?
Прикладная экология
- это комплексом дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеком и природой. Она исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы. Инженерная экология
изучает законы формирования техносферы и способы инженерной защиты природной среды.
Техносфера
– это часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в инженерно технические сооружения: города, заводы, фабрики, карьеры и шахты, дороги, плотины, водохранилища и т.д.
Промышленная экология
– раздел экологии – наука о взаимном влиянии промышленности и транспорта на природу.
Сельскохозяйственная экология
– раздел экологии, формирующий экологические критерии и нормативы в с/х.
4.
Урбанизация. Общая характеристика городской экосистемы.
Урбанизация
(от лат. урбанус - городской) –
1). сосредоточение населения и экономической жизни в городах, рост городов; 2). приобретение сельской местности черт, свойственных городам или это процесс роста городов, увеличения городского населения, превращения городских агломератов в мегаполисы.
Агломерат
(от лат. агломераре – присоединять, накапливать) – группировка поселений городского типа, составляющая единую социально-экономическую и экономическую систему, объединенную в одно целое интенсивными производственными, трудовыми, культурно-бытовыми и реакреационными связями.
Мегаполис
(от греч. мегаес – большой и полис - город) – это «сверх город», гигантский город, образовавшийся в результате роста и слияния многих городов и населенных пунктов, численность населения мегаполиса составляет более 1 млн. человек.
Урбаэкология
- экология городов, городского населения (включая экологию человека), занимающаяся изучением способов наилучшего расселения людей в городах и других населенных пунктах с учетом интересов населения и сохранения природной среды. Городские экосистемы гетеротрофны, доля солнечной энергии, фиксированная городскими растениями или солнечными батареями, расположенными на крышах домов, незначительна.
Основные обитатели городов
1. Растения (
продуценты) в составе городских экосистем растут в лесопарках, парках, садах, на газонах, но их главное назначение - не производство органического вещества (древесины, сена, съедобных плодов и т.д.), а регулирование газового состава атмосферы. Они выделяют кислород, поглощают диоксид углерода и очищают атмосферу от вредных газов и пыли, попадающих в нее при работе промышленных предприятий и транспорта. Растения имеют также большое эстетическое и декоративное значение.
2. Животные
(консументы) в городе представлены не только обычными в естественных экосистемах видами (в парках живут птицы: горихвостка, соловей, трясогуска, зяблик, славки, млекопитающие: полевки, белки и представители других групп животных), но и особой группой городских животных - спутников человека. В ее составе находятся птицы (воробьи, скворцы, ласточки, вороны, галки, голуби), грызуны (крысы и мыши) и насекомые (тараканы, клопы, моль, мухи) и др. Многие животные, связанные с человеком, питаются отбросами на помойках (галки, воробьи, вороны). Это - санитары города.
3. Микроорганизмы,
осуществляющие разложение органических отходов.
5.
Что такое экологические факторы? Виды экологических факторов.
Экологический фактор
– это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями, за пределами способности приспособления наступает смерть.
Экологические факторы воздействуют на живые организмы:
1. как раздражители
, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций,
2. как ограничители
, обусловливающие невозможность существования в данных условиях,
3. как сигналы
, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.
Все факторы действуют на организмы совместно. При этом результат воздействия одних факторов часто зависит от других.
Две основные группы экологических факторов: абиотические и биотические
. Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в две крупных категории:
факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы – биотические, или биогенные. Первая включает факторы климатические (температура, свет, влажность, давление и др.), физические свойства почвы и воды. Ко второй относятся факторы питания и различные формы взаимодействия особей и видов между собой (хищничество, конкуренция, паразитизм и др.). Однако подобное подразделение не представляется исчерпывающим. Действительно, иногда бывает трудно отнести данный фактор к той или иной группе.
6.
Абиотические и биотические факторы.
Абиотические факторы
- это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.
Абиотические факторы подразделяют на: климатические (атмосферные), факторы водной среды, эдафические (почвенные), топографические (рельефные) и огонь (пожары).
К климатическим факторам
относятся температура, количество осадков, влажность, ионизирующее излучение, газовый состав, прозрачность, ветер, атмосферное давление.
К факторам водной среды относятся плотность, вязкость, течения, температура, содержание минеральных веществ, наличие органических веществ, кислотность, газовый состав.
К эдафическим факторам
относятся механическая структура, минеральный состав, органический состав, кислотность, влажность, газовый состав, температура.
К топографическим факторам
относятся высота над уровнем моря, экспозиция склона, крутизна склона, перепад высот.
Пожары
бывают подземные, низовые и верховые.
Во всех случаях абиотические факторы
действуют односторонне. Организм может к ним приспособиться, но не в состоянии оказать обратное влияние.
Биотические факторы
(пища, хищники, возбудители болезней, конкуренты) оказывают другое влияние, чем абиотические факторы, действуя на организмы других видов, они в то же время являются объектом воздействия с их стороны.
7.
Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов. Лимитирующий фактор. Фундаментальный закон «минимума».
Живой организм в природных условиях одновременно подвергается воздействию со стороны не одного, а многих экологических факторов – как биотических, так и абиотических, но управляющую главную роль по отношению к живым организмам выполняют абиотические факторы. Причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах или дозах.
Растения нуждаются в значительных количествах влаги, питательных веществ (азот, фосфор, калий), но требования к другим веществам, например бору или молибдену, определяются ничтожными количествами. Тем не менее недостаток или отсутствие любого вещества (как макро-, так и микроэлемента) отрицательно сказывается на состоянии организма, оно будет развиваться ненормально, замедленно или иметь патологические отклонения, даже если все остальные присутствуют в требуемых количествах.
Фактор, который может замедлять потенциальный рост, как отдельного организма, так и экосистемы в целом, называется лимитирующим
, или фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного организма, называется ограничивающим или лимитирующим.
Один из основоположников агрохимии – немецкий ученый Юстус Либих
сформулировал теорию минерального питания растений
. Он установил, что развитие растения или его состояние зависят не от тех химических элементов (или веществ), то есть факторов, которые присутствуют в почве в достаточных количествах, а от тех, которых не хватает. Фундаментальный закон минимума
Ю. Либиха
: веществом, присутствующим в минимуме, управляется урожай, определяется его величина и стабильность во времени.
Закон минимума Либиха – один из основополагающих законов экологии, сформулирован лишь для химических питательных элементов.
Однако для развития организмов важны и другие факторы. Объединенная концепция, рассматривающая влияние всех факторов, представляет собой общий принцип или закон лимитирующих факторов
.
В современной интерпретации закон Ю. Либиха звучит так:
Выносливость организма определяется
самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности организмов лимитируют (ограничивают) те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибели организма или экосистемы.
Разумеется, закон минимума справедлив не только для растений, но и для всех живых организмов, включая человека.
8.
Закон толерантности В. Шелфорда.
Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел американский зоолог Виктор Шелфорд
. Он показал, что вещество, или любой другой фактор, присутствующий не только в минимуме, но и в избытке по сравнению с требуемым организму уровнем, может приводить к нежелательным последствиям для организма.
Проанализируем, что же происходит с организмом в условиях динамики режима того или иного экологического фактора. Если поместить какое-либо животное или растение в экспериментальную камеру и изменять в ней температуру воздуха, то состояние (все жизненные процессы) организма будет изменяться. При этом выявится некоторый наилучший (оптимальный)
для организма уровень данного фактора (Топт
),
при котором его активность будет максимальной.
Рис. Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности
Диапазон толерантности
к каждому фактору ограничен его min
и max
значениями, в пределах которых только и может существовать организм. Степень благополучия популяции или вида в зависимости от воздействующего на него фактора представляют в виде кривой толерантности,
имеющей обычно колокообразную форму
с максимумом, соответствующим оптимальному значению фактора.
Но если режимы фактора будут отклоняться от оптимума в ту или иную (большую или меньшую) сторону, то активность будет снижаться. При достижении некоторого максимального или минимального значения фактор станет несовместимым с жизненными процессами. В организме произойдут изменения, вызывающие его смерть. Эти уровни окажутся, таким образом, смертельными, или летальными (Тлет
и Тлет.
).
Аналогичные результаты можно получить в экспериментах с изменениями влажности, содержания различных солей в воде, кислотности, концентрации загрязняющих веществ и др. Чем шире амплитуда колебаний фактора, при которой организм может сохранять жизнеспособность, тем выше его устойчивость, т. е. толерантность к тому или иному фактору.
Отсюда слово «толерантный» переводят как устойчивый, терпимый, а толерантность
можно определить как способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.
Из всего изложенного вытекает и закон В. Шелфорда, или так называемый закон толерантности:
любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.
Зона оптимума или зона нормальной жизнедеятельности
- это условия, при которых вид имеет наибольшую жизнеспособность.
Зона пессимума или зона угнетения
– это зона, где организм чувствует себя угнетенно.
Критические точки
– это максимально и минимально переносимые значения фактора.
Закон И.В. Шелфорда имеет второе название: закон лимитирующего фактора.
Закон толерантности, или закон лимитирующего фактора гласит,
что лимитирующим, ограничивающим процветание организма или вида, может быть фактор, находящийся не только в минимуме, но и в максимуме. Диапазон между этими факторами определяет величину выностивости (толерантности) организма или вида к данному фактору.
Выявление ограничивающих факторов имеет огромное практическое значение.
В первую очередь для выращивания сельскохозяйственных культур: внесение необходимых удобрений, известкование почв, мелиорация и т.д. позволяют повысить урожайность, повысить плодородие почв, улучшить существование культурных растений.
9.
Адаптация живых организмов к экологическим факторам. Виды адаптации.
Адаптация (
от лат. адаптацио – приспособление)
– это эволюционно возникшее приспособление организмов среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей.
Особи, почему-либо утратившие способность к адаптированию, в условиях изменений режимов экологических факторов, обречены на элиминацию
, т. е. на вымирание
.
Виды адаптации: морфологическая, физиологическая и поведенческая адаптации.
Морфология – это
учение о внешних формах организмов и их частей.
1. Морфологическая адаптация
– это адаптация, проявляющаяся в приспособлении к быстрому плаванию у водных животных, к выживанию в условиях высоких температур и дефицита влаги – у кактусов и иных суккулентов.
2. Физиологические адаптации
заключаются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Например, обитатели сухих пустынь способны обеспечивать потребность во влаге за счет биохимического окисления жиров.
3. Поведенческие (этологические) адаптации
проявляются в самых разнообразных формах. Например, существуют формы приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение оптимального теплообмена с окружающей средой. Приспособительное поведение может проявляться в создании убежищ, передвижениях в направлении более благоприятных, предпочитаемых температурных условий, выборе мест с оптимальной влажностью или освещенностью. Многим беспозвоночным свойственно избирательное отношение к свету, проявляющееся в приближениях или удалениях от источника (таксисах). Известны суточные и сезонные кочевки млекопитающих и птиц, включая миграции и перелеты, а также межконтинентальные перемещения рыб.
Существуют два типа приспособления к внешним факторам. Пассивный путь адаптации
– это адаптация по типу толерантности (терпимость, выносливость) заключается в возникновении определенной степени устойчивости к данному фактору, способности сохранять функции при изменении силы его воздействия.. Такой тип приспособления формируется как характерное видовое свойство и реализуется на клеточно-тканевом уровне. Второй тип приспособления – активный
. В этом случае организм с помощью специфических адаптивных механизмов компенсирует изменения, вызванные воздействующим фактором, таким образом, что внутренняя среда остается относительно постоянной. Активные приспособления – это адаптация по резистентному типу (сопротивление) поддерживают гомеостаз внутренней среды организма. Пример толерантного типа приспособления – пойкилоосмотические животные, пример резистентного типа – гомойоосмотические.
10.
Экологическая ниша организма, понятия и определения. Местообитание. Взаимное расположение экологических ниш. Экологическая ниша человека.
Любой вид животного, растения, микроба способен нормально обитать, питаться, размножаться только в том месте, где его «прописала» эволюция за многие тысячелетия, начиная с его предков. Для обозначения этого феномена биологи заимствовали термин из архитектуры – слово «ниша»
и стали говорить, что каждый вид живого организма занимает в природе свою, только ему присущую экологическую нишу.
Экологическая ниша организма
– это совокупность всех его требований к условиям среды (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются, или вся совокупность множества биологических характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными.
Понятие экологическая ниша обычно применяется при использовании взаимоотношений экологически близких видов, относящихся к одному трофическому уровню. Термин «экологичекая ниша» предложен Дж. Гриннеллом в 1917 году
для характеристики пространственного распределения видов, то есть экологическая ниша определялась как понятие, бликое к местообитанию. Ч. Элтон
определил экологическую нишу как положение вида в сообществе, подчеркнув особую важность трофических связей. Нишу можно представить как часть воображаемого многомерного пространства (гиперобъема), отдельные измерения которого соответствуют факторам, необходимым для вида. Чем больше варьирует параметр, т.е. приспособленность вида к определенному экологическому фактору, тем шире его ниша. Ниша может увеличиваться и в случае ослабленной конкуренции.
Место обитания вида
– это физическое пространство, занимаемое видом, организмом, сообществом, оно определяется совокупностью условий абиотической и биотической среды, обеспечивающих весь цикл развития особей одного вида.
Место обитания вида можно обозначить как «пространственная ниша».
Образно говоря, если местообитание - это как бы адрес организмов данного вида, то трофическая ниша - это профессия, роль организма в месте его обитания.
Сочетание этих и других параметров принято называть экологической нишей.
Экологическая ниша
(от франц. нише – углубление в стене) – это место, занимаемое биологическим видом в биосфере, включает не только его положение в пространстве, но и место в трофических и других взаимодействиях в сообществе, как бы «профессия» вида.
Ниша экологическая фундаментальная
(потенциальная) – это экологическая ниша, в которой вид может существовать при отсутствии конкуренции со стороны других видов.
Ниша экологическая реализованная (реальная) –
экологическая ниша, часть фундаментальной (потенциальной) ниши, которую вид может отстоять в конкурентной борьбе с другими видами.
По взаимному расположению ниши двух видов подразделяются на три типа: не соприкасающиеся экологические ниши; соприкасающиеся, но не перекрывающиеся ниши; соприкасающиеся и перекрывающиеся ниши.
Человек – один из представителей царства животных, биологический вид класса млекопитающих. Несмотря на то, что ему присущи многие специфические свойства (разум, членораздельная речь, трудовая деятельность, биосоциальность и др.), он не утратил своей биологической сущности и все законы экологии справедливы для него в той же мере, в какой и для других живых организмов. Человек имеет
свою, только ему присущую, экологическую нишу.
Пространство, в котором локализована ниша человека весьма ограничено. Как биологический вид, человек может обитать только в пределах суши экваториального пояса (тропики, субтропики), где и возникло семейство гоминид.
11.
Биоценоз, биогеоценоз, агроценоз.
Биоценоз
(от греч. koinos – общий bios -жизнь) – это сообщество взаимодействующих живых организмов, состоящее из растений (фитоценоз), животных (зооценоз), микроорганизмов (микробоценоз), приспособленных к совместному обитанию на данной территории.
Понятие «биоценоз» –
условное, поскольку вне среды существования организмы жить не могут, но ним удобно пользоваться в процессе изучения экологических связей между организмами. В зависимости от местности, отношение к человеческой деятельности, степени насыщения, полноценности и т.п. различают биоценозы суши, воды, естественные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные.
Биоценозы, как и популяции -
это надорганизменный уровень организации жизни, но более высокого ранга.
Размеры биоценотических группировок различны
- это и большие сообщества подушек лишайников на стволах деревьев или гниющий пень, но это и население степей, лесов, пустынь и т.д.
Сообщество организмов называют биоценозом, а науку, изучающую сообщество организмов - биоценологией
.
В.Н. Сукачевым
для обозначения сообществ был предложен (и общепринят) термин биогеоценоз
(от греч. биос – жизнь, гео – Земля, ценоз – сообщество) -
это совокупность организмов и природных явлений, характерных для данной географической местности..
Структура биогеоценоза включает две компоненты биотическую –
сообщество живых растительных и животных организмов (биоценоз) – и абиотическую -
совокупность неживых факторов среды (экотоп, или биотоп).
Пространство
с более или менее однородными условиями, которое занимает биоценоз, носит название биотопа (topis – место) или экотопа.
Экотоп
включает две главные составляющие: климатоп
- климат во всех его многообразных проявления и эдафотоп
(от греч. эдафос – почва) - почво-грунты, рельеф, воды.
Биогеоценоз
= биоценоз (фитоценоз+зооценоз+микробоценоз)+биотоп (климатоп+ эдафотоп).
Биогеоценозы –
это природные образования (в них присутствует элемент «гео» – Земля)
.
Примерами биогеоценозов
могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес. На уровне биогеоценоза происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере.
Агроценоз
(от лат. аграрис и греч койкос - общий) – созданное человеком и им же искусственно поддерживаемое сообщество организмов с повышенной урожайностью (продуктивностью) одного или нескольких избранных видов растений или животных.
Агроценоз отличается от биогеоценоза
основными компонентами. Он не может существовать без поддержки человека, так как это искусственно созданное биотическое сообщество.
12.
Понятие «экосистема». Три принципа функционирования экосистем.
Экологическая система
- одно из важнейших понятий экологии, сокращенно – экосистема.
Экосистема
(от греч. ойкос – жилище и система) – это любое сообщество живых существ вместе со средой их обитания, связанное внутри сложной системой взаимоотношений.
Экосистема -
это надорганизменные объединения, включающие организмы и неживое (косное) окружение, находящиеся во взаимодействии, без чего невозможно поддержание жизни на нашей планете. Это сообщество растительных и животных организмов и неорганической среды.
Исходя из взаимодействия живых оpганизмов, обpазующих экосистему, между собой и сpедой их обитания, в любой экосистеме выделяют взаимообусловленные совокупности биотических
(живые организмы) и абиотических
(косная или неживая природа) компонентов, а также факторы среды (такие как солнечная pадиация, влажность и темпеpатуpа, атмосферное давление), антропогенные факторы
и другие.
К абиотическим компонентам экосистем
относятся неорганические вещества - углерод, азот, вода, атмосферная углекислота, минералы, органические вещества, находящиеся преимущественно в почве: белки, углеводы, жиры, гуминовые вещества и др., попавшие в почву после отмирания организмов.
К биотическим компонентам экосистемы
относятся продуценты, автотрофы (растения, хемосинтетики), консументы (животные) и детритофаги, редуценты (животные, бактерии, грибы).
Экосистема
– это совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой, называют экологической системой или экосистемой.
13.
Группы природных экосистем. Деление экосистем по размерам.
В природе существуют следующие группы экосистем:
| Экосистемы |
||
| Наземные (биомы) |
Пресноводные |
Морские |
| тундра |
реки, ручьи |
открытый океан |
| тайга |
озера, пруды |
шельфовая зона |
| широколиственные леса |
водохранилища |
районы апвеллинга |
| степи |
болота |
эстуарии |
| пустыни |
заболоченные леса |
глубоководные рифовые зоны |
Термин “экосистема” можно применить к сообществам организмов и их средам различных размеров. Экосистемы - это капли воды с ее обитателями, лужа, пруд, озеро, океан, луг, тайга, степь, лес, пустыня, тундра, суша, биосфера.
Микросистема - гниющий древесный пень.
Мезоэкосистема
- средняя по размерам: лесная ассоциация, пруд.
Макроэкосистема -
океан, континент.
Гигантская экосистема -
земной шар, где все экосистемы связаны в целом условиями существования на Земле, последняя экосистема приводит к представлению о “биосфере”.
14.
Компоненты экосистемы. Продуценты, консументы, детритофаги, редуценты и их роль в экосистеме.
Движущей силой
в любой материальной системе служит энергия.
В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6
H12
O6
. Это есть процесс фотосинтеза.
Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии.
Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.
Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами
. Высвобо
Пpодуценты,
использующие солнечную энеpгию для пpодуциpования оpганического вещества из неорганических, называются автотpофами
(автос - сам, троф - питаться), а использующие химическую энеpгию - хемотpофами.
К автотрофам относятся зеленые pастения, мхи, лишайники, зеленые и синезеленые водpосли.
Все живые организмы по способу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.
Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать то, что создано автотрофами, поедая их, называются гетеротрофами
(heteros – другой), что означает «питаемый другими», или консументами
(от лат. консумо – потреблять). Они используют в качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими животными организмами, растениями или их плодами.
Консументы делятся на три группы
:
Консументы первого порядка - животные, питающиеся непосредственно продуцентами. К ним относятся, прежде всего, растительноядные животные.
Консументы второго порядка, питающиеся консументами первого порядка, т.е. плотоядные хищники, питающиеся растительноядными животными.
Консументы третьего порядка - также плотоядные хищники, питающиеся плотоядными животными.
Например, кролик, питающийся морковкой, - это консумент первого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, - консумент второго порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням. Например, когда человек ест овощи - он консумент первого порядка, говядину - консумент второго порядка, а, употребляя в пищу хищную рыбу, выступает в роли консумента третьего порядка. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.
Особый вид вторичных консументов – паразиты.
Паразит
(от греч. паразитос – нахлебник) – это организм, живущий за счет особей других видов (хозяев), обычно с причинением им некоторого вреда, использующий своих хозяев, многократно или постоянно в течение всей жизни.
Продуценты и консументы являются биотическим компонентом
экосистем и составляют биомассу (живой вес) биосферы, или экосистем.
Редуценты
или деструкторы
(reducens – возвращать), или детритофаги
– гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех трофических уровней – остатки пищи, мертвые организмы. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ.
Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом
. Детрит –
это органика, богатая биогенами и энергией.
Существует множество организмов, специализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами.
Сухопутные детритофаги
– это воpоны, галки, гиены, оpлы-стеpвятники, грифы, шакалы, жуки-навозники, мухи, дождевые черви, термиты, муравьи, двупарноногие многоножки, личинки некоторых насекомых и т.п. Они питаются органическим веществом из почвы и живыми организмами, населяющими ее. К водным детритофагам относятся грунтоеды. Множество оpганизмов - детpитофагов живет в почве, коpолем почвы может быть назван дождевой чеpвь, поедающий отмеpшие ткани pастений.
Редуценты
– это грибы и микроорганизмы, питающиеся детритом.
В любой экосистеме все детритофаги и редуценты
играют одну и ту же роль.
Они питаются мертвым органическим веществом, разлагая его и завершая биологический круговорот веществ.
15.
Понятие экосистемы и биогеоценоза, их сходство и различие.
Экосистема
(от греч. ойкос – жилище и система) – это любое сообщество живых существ вместе со средой их обитания, связанное внутри сложной системой взаимоотношений.
Биогеоценоз
(от греч. биос – жизнь, гео – Земля, ценоз – сообщество) -
это совокупность организмов и природных явлений, характерных для данной географической местности.
Структура биогеоценоза включает две компоненты биотическую –
сообщество живых растительных и животных организмов (биоценоз) – и абиотическую -
совокупность неживых факторов среды (экотоп, или биотоп).
Биогеоценоз
= биоценоз (фитоценоз+зооценоз+микробоценоз)+биотоп (климатоп+ эдафотоп).
Примерами биогеоценозов
могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес. На уровне биогеоценоза происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере.
Термины «экологическая система» и «биогеоценоз» не являются синонимами
. Экологическая система есть любая совокупность организмов и окружающей их среды. Так, в качестве э
косистемы можно рассматривать, например, горшок с цветком, террариум, фитотрон, пилотируемый космический корабль. У всех названных совокупностей организмов и среды отсутствует ряд признаков, приведенных в определении В. Н. Сукачева, и в первую очередь, элемент «гео» – Земля. Примерами биогеоценозов
могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес и т.д.. Биогеоценозы – это природные образования. В то же время биогеоценоз может рассматриваться и как экологическая система. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз
».
Любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экологическая система есть биогеоценоз.
16.
Пищевые связи: пищевые цепи, трофические уровни. Типы пищевых цепей.
Экосистема любого уровня состоит из двух основных компонентов:
автотрофного и гетеротрофного. Основная функция биоценозов (экосистем) – поддержание круговорота веществ в биосфере – базируется на пищевых взаимоотношениях видов.
Существует два типа питания: автотрофное и гетеротрофное
. Именно на этой основе органические вещества, синтезированные автотрофными организмами, претерпевают многократные химические трансформации и в конечном итоге возвращаются в среду в виде неорганических продуктов жизнедеятельности, вновь вовлекаемых в круговорот. Поэтому каждый биоценоз или экосистема включает представителей трех экологических групп организмов – продуцентов, консументов и редуцентов (деструкторов).
Виды в экосистеме должны быть связаны между собой процессами обмена веществом и энергией, т.е. пищевыми взаимоотношениями. В результате возникают пищевые или трофические цепи.
Пищевая
(от греч. trophe – пища) цепь
– это последовательный перенос вещества и энергии от их источника- зеленого растения через ряд других организмов на более высоких трофических уровнях, т.е. путем поедания одних организмов другими.
Трофический уровень
– это место каждого звена в цепи питания.
Первый трофический уровень – это всегда продуценты
,
второй трофический уровень – это растительноядные консументы
,
третий трофический – это плотоядные
, живущие за счет растительноядных форм, четвертый уровень – это животные, потребляющие других плотоядных и т.д.
Человек в этой классификации оказывается хищником, потребляющим и растительную и животную пищу, т.е. занимает промежуточное положение между первичными и вторичными консументами. Человек стоит в конце большинства пищевых цепей. Животные и другие консументы – это не просто пассивные «едоки», входящие в пищевую цепь. Удовлетворяя свои потребности в энергии, они часто действуют через систему положительной обратной связи на находящиеся выше трофические уровни. Благодаря естественному отбору хищники и паразиты приспособились к тому, чтобы не только не уничтожать источники своей пищи, но и во многих случаях обеспечивать или даже увеличивать благосостояние своих жертв.
Цепи питания не всегда могут быть полными.
В них могут отсутствовать растения (продуценты). Такая цепь характерна для сообществ, формирующихся на базе разложения трупов животных или растительных остатков. Кроме того, могут отсутствовать или могут быть представлены небольшим количеством животные. Например, в лесах отмирающие растения или их части сразу используются в пищу редуцентами, которые разлагают органические вещества до исходных минеральных веществ и СО2
, завершая круговорот.
Существуют «цепи выедания» («цепи потребления», пастбищные), и «цепи разложения» или «детритные».
Цепи выедания -
это трофические цепи, начинающиеся с фотосинтезирующих организмов.
Цепи разложения –
это пищевые цепи, начинающиеся с отмерших растений, трупов и экскрементов животных.
Цепи могут быть относительно простыми, короткими, например «осина – заяц – лиса», и более сложными, например «трава – насекомые – лягушки – змеи – хищные птицы». Разные трофические цепи связаны между собой общими звеньями в очень сложную систему, которая носит название трофической сети.
Очевидно, что звенья (и входящие в них организмы), образующие пищевую, или трофическую, цепь, неравнозначны, в первую очередь, с точки зрения занимаемого места.
| Типичные схемы пищевых цепей
|
||||
| Тип цепи
|
Продуценты
|
Консументы
|
||
| 1 порядка
|
2 порядка
|
3 порядка
|
||
| лесная
|
кедр
|
белка
|
куница
|
рысь
|
| детритная
|
лесная подстилка
|
дождевой червь
|
дрозд
|
ястреб-стервятник
|
| морская
|
одноклеточные водоросли
|
ракообразные
|
сельдь
|
акула
|
| садовая
|
черная смородина
|
тля
|
божья коровка
|
паук
|
17.
Связь между потоком элементов питания и потоком энергии в экосистеме.
Каждый организм в природе в том или ином виде служит источником питания для ряда других организмов. В результате последовательного перехода органического вещества с одного трофического уровня на другой происходят круговорот веществ и передача энергии в биоценозе. При этом органические вещества, переходя с одного трофического уровня на другой, частично исключаются из круговорота, в результате чего происходит накопление органических соединений в виде залежей полезных ископаемых – торфа, угля, нефти, газа и др.
Первичным источником энергии всех биосистем является Солнце, оно обеспечивает жизнь. Различные элементы биоценоза не генерируют энергию, все они последовательно превращают лучистую энергию в энергию химических связей.
Усвоенная консументами из пищи энергия расходуется на дыхание, совершение работы и поддержание жизнедеятельности, некоторая часть идет на рост и размножение. То есть поглощенная энергия используется как для создания тела соответствующих живых существ (органических веществ, их образующих), так и для обеспечения деятельности этих живых существ. Необходимая для этой цели энергия образуется в результате сложного многоступенчатого окисления органических соединений в клетках живых организмов - так называемое клеточное дыхание.
Вещество в экосистеме может совершать бесконечный круговорот, энергия же, содержащаяся в пище, не совершает круговорота, а шаг за шагом превращается в тепловую.
Поэтому экосистеме необходим постоянный приток энергии извне.
При переходе общего количества энергии из одной формы в другую энергия не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую (1-е начало термодинамики). В силу второго закона термодинамики процесс передачи энергии неизбежно связан с рассеиванием энергии на каждом трофическом уровне, т.е. с ее потерями и возрастанием энтропии. КПД процессов преобразования энергии всегда меньше единицы. Определенная доля энергии теряется при отмирании организмов, а также не усваивается из пищи.
Однако при всем разнообразии расходов энергии максимальные затраты энергии идут на дыхание, в сумме с неусвоенной пищей они составляют до 90 % от потребленной энергии. Тогда результирующий поток энергии, переходящий на следующий, более высокий трофический уровень, составляет в среднем около 10 % энергии, полученной данным уровнем. В результате на верхние трофические уровни (к хищникам) переходит всего тысячная доля процента от энергии зеленых растений.
Эта закономерность называется обычно "правилом десяти процентов".
Конечно, данное правило является ориентировочным, но оно ярко иллюстрирует, насколько низок КПД всех биологических систем и велико значение процессов диссипации энергии в биосфере.
В результате этого количество энергии, доступное для потребления, падает по мере возрастания трофического уровня организма. Это приводит к тому, что цепи питания не могут быть длинными, чаще всего они состоят из 4-6 звеньев. Например, "трава-заяц-лиса" или "трава-муха-лягушка-цапля-лиса". Однако такие линейные цепи в чистом виде в природе практически не встречаются. Первое трофическое звено – растение – может служить источником питания нескольким видам консументов, причем те, в свою очередь, также могут являться составной частью нескольких различных пищевых цепей. Например, заяц, как консумент I порядка, может служить пищей нескольким хищникам – лисе, волку и др. В результате в биоценозе формируются сложные пищевые или трофические сети. Более сложные сети характеризуются повышенной надежностью и более интенсивным круговоротом веществ.
18.
Фотосинтез. Уравнение фотосинтеза. Хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины и их роль в фотосинтезе.
Фотосинтез – один из удивительных процессов живой природы, обеспечивающий нашу планету массой органических веществ и свободным кислородом. Благодаря фотосинтезу (совместно с хемосинтезом) обеспечивается не только вся потребность автотрофных организмов в органических веществах, необходимых для различных процессов биосинтеза, но косвенным образом и вся потребность гетеротрофных существ в органических питательных веществах (пища животных и разные иные формы питания).
Фотосинтез –
это процесс, в результате которого зеленые растения, используя энергию солнечного света, преобразуют простые соединения с низким содержанием энергии в сложные органические соединения, в которых солнечная энергия запасена в форме химической энергии.
6CO2
+ 6H2
O + hv → C6
H12
O6
+ 6O2
↑
Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами
- образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.
19.
Понятие биомассы и продуктивности. Виды продуктивности.
Биомасса
– это количество живого вещества тех или иных организмов или всего сообщества, приходящееся на единицу площади или объема (т/га, кг/га, г/м3
, г/м2
, дж.). Ее определяют в сыром или сухом виде.
Более 90% биомассы живого вещества приходится на биомассу наземных растений (фитомассу), остальное - на водную растительность и гетеротрофные организмы. Основная роль в живом веществе Земли принадлежит автотрофным растениям суши (наземная). Географическое распределение автотрофных организмов крайне неравномерно: оно зависит от количества тепла и влаги. Так, главные запасы фитомассы приходятся на тропические области (более 55%).
Биомасса гетеротрофных организмов суши,
прежде всего животных (зоомасса), во много раз меньше биомассы растений. Наиболее высока биомасса почвенных микроорганизмов и беспозвоночных, а доля наземных позвоночных в общей зоомассе - всего от 0,2% до 4%.
Продуктивность сообщества - это важный функциональный показатель сообщества, а также его отдельных элементов (автотрофного и гетеротрофного компонентов, отдельных трофических уровней, популяций каких-либо видов) является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы.
Продуктивность (продукция) экологической системы
– это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза, образуя органическое вещество, которое может быть использовано в качестве пищи.
Различают разные уровни продуцирования органического вещества.
Первичная продукция - о
рганическая масса, создаваемая продуцентами
в единицу времени.
Вторичная продукция
– прирост массы консументов
в единицу времени.
20.
Биосфера как особенность планеты Земля. Распределение жизни в биосфере. Компоненты биосферы.
Биосфера
(от греч. биос – жизнь, сфера – шар) – это наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых.
Понятие биосферы как сферы обитания живых организмов или сферы, занятой жизнью, было предложено в 1875 г. австрийским ученым Э. Зюссом
, а основателем учения о биосфере - определенного единства живой и косной материи – является русский геохимик Владимир Иванович Вернадский
(1868–1945).
Биосфера включает
в себя: живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов (растения, животные, микроорганизмы), биогенное вещество, то есть органо-минеральные или органические продукты, созданные живым веществом (торф, каменный уголь, нефть), биокостное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой (костной) природой (водой, атмосферой, горными породами) и почвенный покров.
Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км от поверхности суши и на 1-2 км ниже дна океана. Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой.
21.
Основные «сферы жизни», входящие в состав биосферы.
Биосфера включает
нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу), террабиосферу – поверхность самой суши, и литосферу (литобиосферу) – верхние горизонты твердой земной оболочки.
Биогеосфера
(«пленка жизни») – это своеобразная оболочка земного шара, где сконцентрировано практически все живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и в верхней части водной оболочки Земли.
Атмосфера
– это газовая оболочка Земли. Она состоит из нескольких сфер – тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы и экзосферы. Химический состав воздуха до высоты 100 км остается практически постоянным (азот – 78.09%, кислород – 20.94%, аргон – 0.93%, диоксид углерода – 0.03%, остальные газы в микроколичествах).
Гидросфера
– водная оболочка Земли, она включает в себя совокупность поверхностных вод, а также воду, находящуюся в пределах литосферы и атмосферы. Гидросфера представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами.
Вода в атмосфере – это водяной пар и его конденсат (капельки воды и ледяные кристаллы). Воды гидросферы по вертикали делятся на две зоны. Верхняя зона - эфотическая
, определяется глубиной проникновения солнечного света(100 м). В этой зоне живут фотосинтезирующие организмы. В нижних слоях, куда не проникает солнечный свет, - афотической зоне
– обитают живые организмы, использующие готовые органические вещества, синтезированные организмами эфотической зоны. Это хемосинтетики – сероводородные бактерии.
Литосфера
– внешняя прочная оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии Земли. Поверхность Земли обладает неоднородностью по высоте: от 8848 м над уровнем моря (г. Джомолунгма) до 11034 м (Марианская впадина). Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, в основном, в почве.
22.
Биогеохимической круговорот веществ в природе. Основные биогеохимические циклы (углерода, кислорода и др.).
Существование экосистем и в целом возможность жизни на Земле обусловлены круговоротом химических элементов, поэтому говорят, что жизнь есть движение, а круговорот веществ является одним из важнейших механизмов функционирования биосферы. Нарушение баланса в круговороте, обусловленное хозяйственной деятельностью человека, ведет к экологически кризисным ситуациям в экосистемах, регионах и в биосфере в целом.
Биогеохимический цикл
– это круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и энергии химических реакций.
Сущность круговорота в следующем
. Минеральные элементы проникают в ткани растений и животных в процессе их роста и там входят в состав органических веществ. После смерти организма эти вещества вновь попадают в окружающую среду. Здесь они претерпевают сложные превращения, и в итоге минерализуются, после чего попадают в новые организмы.
К главным циклам относятся круговороты элементов и веществ:
С, Н2
О, N2
, P, S, O2
,
требующихся всем организмам в наибольших количествах.
Углерод, кислород, азот, фосфор и сера являются компонентами для построения основных молекул живого вещества - углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов.
Круговорот углерода.
Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Круговорот углерода, обусловленный живыми организмами, составляет только часть его общего круговорота, называемого быстрым круговоротом, и длительность его исчисляется временем жизни организма. На более длительное время исключается углерод из кругооборота – медленный круговорот- с горючими ископаемыми.
Круговорот кислорода.
Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2
. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.
23.
Глобальные экологические проблемы: потепление климата, разрушение озонового экрана, кислотные дожди.
Потепление климата.
Под термином "парниковый эффект" понимается специфическое явление. Поглощенная энергия солнечной радиации преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистая" атмосфера почти не прозрачна для ИК-излучения, а атмосфера, содержащая пары трехатомных (парниковых) газов (воды, углекислого газа, оксидов серы и др.), поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит разогрев воздуха. Поэтому парниковые газы выполняют функцию стеклянного покрытия в обычных садовых парниках. Основным по значению "парниковым" газом являются водяные пары. За ним следуют СО2
, метан,
фреоны,
закись азота –
N2
O.
Из антропогенных источников поступления СО2
в атмосферу наибольший вклад дают предприятия энергетики и металлургии, транспорт, использующий двигатели внутреннего сгорания.
Нарушение озонового экрана.
Верхние слои атмосферы в значительной степени определяют условия жизни на Земле. Они выполняют роль защитного барьера на пути излучений и частиц высоких энергий из Космоса. Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Известно, что более 99 % ультрафиолетового излучения Солнца поглощается слоем озона (О3
). Естественные процессы круговорота озона в стратосфере нарушаются из-за его разрушения катализаторами, значительная доля которых техногенного происхождения. Среди таких катализаторов наиболее важная роль принадлежит оксидам азота и атомам хлора. Основными источниками NO антропогенного происхождения являются двигатели внутреннего сгорания, высокотемпературные энергетические установки, ракеты и сверхзвуковые самолеты. Атомарный хлор образуется в результате фотохимического разрушения фреонов (фторхлорметанов): CF2
C12
и CFC13
. Эти вещества летучи, устойчивы в тропосфере. Их источником являются холодильные установки и аэрозольные баллоны. Озоновая "дыра" зафиксирована над Антарктидой в весенние месяцы года. И хотя феномен "озоновой дыры" пока непонятен по источнику ее образования (естественный или антропогенный), но установлено почти двух кратное превышение хлорсодержащих частиц в зоне антарктической "дыры" по сравнению со средним значением. Уменьшение озонового слоя, средняя толщина которого составляет 2,5-3,5 мм, может привести к изменениям облачного покрова Земли, нарушению теплового баланса атмосферы, нарушению иммунной и генной систем живых организмов росту онкологических заболеваний.
Кислотные осадки.
Кислотными осадками называют дожди, туманы, снег, которые имеют рН < 7 из-за содержания в них соединений, образующих серную и азотную кислоты, что связано с выбросами в атмосферу диоксида серы и оксидов азота. Основными источниками таких выбросов являются продукты сгорания топлива в энергетических установках предприятий, наземного и воздушного транспорта, выбросы химических и металлургических предприятий. Благодаря своей активности SO2
в атмосфере происходит окисление и образование H2
SO4
. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км) до мест выпадения их с осадками. Кислотные соединения азота (NO, NO2
) служат источниками образования атмосферной азотной кислоты. В отличие от серной азотная кислота может долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты разрушают защитный восковой покров, что делает растения более уязвимыми для патогенных организмов, снижает их сопротивляемость болезням, способствует большему испарению влаги. Под действием кислотных осадков существенно ускоряется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, стекол, разрушаются здания и памятники архитектуры.