Экологическая система, основные компоненты экологической системы

Вопрос 1. Экологическая система, основные компоненты экологической системы.

    Экологическая система -  закрытая, функционально  единая совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих общую территорию и способных  к длительному существованию при полностью замкнутом круговороте веществ (т. е. при отсутствии материалного обмена через её границы).

    Принцип экологической системы используется при разработке биологических систем жизнеобеспечения человека в условиях изоляции от биосферы Земли, например в космических или подводных аппаратах. Основу такой искусственно создаваемой экологической системы составляют растения, которые за счёт энергии света в процессе фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выделяют кислород, т. е. осуществляют регенерацию атмосферы. Биомасса растений используется в пищу человеком и др. гетеротрофными организмами , которые, в свою очередь, могут входить в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса растений, продукты жизнедеятельности человека и других компонентов Биокомплекса разлагаются микроорганизмами до воды, двуокиси углерода и минеральных веществ, которые вновь используются растениями. Созданы экспериментальные  экологические системы включающие человека, одноклеточные водоросли, высшие растения (капуста, морковь, свёкла, томат, пшеница и др.), микроорганизмы — минерализаторы. За счёт регенерации в таких экологических системах полностью обеспечивалась потребность человека в кислороде, воде и до 20% в пище.  

           Основные компоненты экосистемы.

    С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1. климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;
2. неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
3. органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;
4. продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;
5. макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;
6. микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

    Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

    С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

1. биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,
2. сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

    Данное  разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами.  Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

    Все эти компоненты взаимосвязаны в  пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

    Экотоп

      Изливающаяся в океан лава на острове Гавайи формирует новый прибрежный экотоп

    Обычно  понятие экотоп определялось как  местообитание организмов, характеризующееся  определённым сочетанием экологических  условий: почв, грунтов, микроклимата и  др. Однако, в этом случае это понятие  фактически почти идентично понятию климатоп.

    На  данный момент под экотопом в отличие  от биотопа понимается определённая территория или акватория со всем набором и особенностями почв, грунтов, микроклимата и других факторов в неизменённом организмами виде. Примерами экотопа могут служить наносные грунты, новообразовавшиеся вулканические или коралловые острова, вырытые человеком карьеры и другие заново образовавшиеся территории. В этом случае климатоп является частью экотопа.

    Климатоп

      Зонирование территорий по типу климата (по Лесли Холдриджу)

    Изначально  «климатоп» был определён В. Н. Сукачёвым (1964) как воздушная часть биогеоценоза, отличающаяся от окружающей атмосферы  своим газовым составом, особенно концентарией углекислого газа в  приземном биогоризонте, кислорода там же и в биогоризонтах фотосинтеза, воздушным режимом, насыщенностью биолинами, уменьшенной и изменённой солнечной радиацией и освещённостью, наличием люминесценции растений и некоторых животных, особым тепловым режимом и режимом влажности воздуха.

    На  данный момент это понятие трактуется чуть более широко: как характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химических характеристик воздушной  или водной среды, существенных для  населяющих эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме.

    Эдафотоп

    Под эдафотопом обычно понимается почва  как составной элемент экотопа. Однако более точно это понятие следует определять как часть косной среды преобразованной организмами, то есть не всю почву, а лишь её часть. Почва (эдафотоп) является важнейшей составляющей экосистемы: в нём происходит замыкание циклов вещества и энергии, осуществляется перевод из мёртвого органического вещества в минеральные и их вовлечение в живую биомассу.  Основными носителями энергии в эдафотопе выступают органические соединения углерода, их лабильные и стабильные формы, они в наибольшей степени определяют плодородие почв.

      Биоценоз, представленный в схематичном виде как пищевая сеть и его биотоп

    Биотоп

    «Биотоп»  — преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для  определённых видов растений или  животных, или же для формирования определённого биоценоза.

    Биоценоз

    Биоценоз  — исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Не последнюю роль в формировании биоценоза играет конкуренция и  естественный отбор. Основная единица биоценоза — консорция, так как любые организмы в той или иной степени связаны с автотрофами и образуют сложную систему консортов различного порядка, причём это сеть является консортом всё большего порядка и может косвенно зависеть от всё большего числа детерминантов консорций.

    Также возможно разделение биоценоза на фитоценоз  и зооценоз. Фитоценоз — это  совокупность растительных популяций  одного сообщества, которые и формируют  детерминантов консорций. Зооценоз—  это совокупность популяций животных, которые и являются консортами различного порядка и служат механизмом перераспределения вещества и энергии внутри экосистемы (см. функционирование экосистем).

    Биотоп  и биоценоз вместе формируют биогеоценоз/экосистему. 

Вопрос 2. Популяция, её структура  и динамика.

    Все живые организмы существуют только в форме популяций.  Популяция  - это совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или  иная степень обмена генетической информацией, и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

       Каждая популяция имеет определенную  структуру:

1. возрастную  (соотношение особей разного возраста);
2. сексуальную (соотношение полов);
3. пространственную (колонии, семьи, стаи и т.д.).

      Кроме того, каждая популяция  имеет определенную численность и амплитуду колебаний этой численности. Структура популяции, ее численность и динамика численности определяются экологической нишей данного вида и конкретно – соответствием условий места обитания (факторов среды) требованиям толерантности слагающих популяцию организмов. Поэтому, влияя на животный или растительный мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам экологических факторов, иногда это может привести к гибели популяции. Типичный пример – резкое уменьшение численности некоторых животных, которых сейчас заносят в "Красную книгу” и рассматривают как исчезающих или находящихся на грани уничтожения.

      Следовательно, охрана живой природной среды заключается в сохранении режимов экологических факторов, при которых не разрушаются экологические ниши, обеспечивается нормальное функционирование популяции живых организмов, соответствие их состава и структуры конкретным условиям места обитания.

      В любой природной системе поддерживается та  численность особей в популяциях обитающих животных и растений, которая в наибольшей степени соответствует интересам воспроизводства. Численность зависит от постоянно действующих экологических факторов.

      Численность (или объем популяции) выражается определенным количеством особей. Популяции могут быть разной степени численности: у одних видов они представлены десятками экземпляров, у других – десятками тысяч. Популяции бактерий в активном иле состоят из миллиардов особей.

      Для того чтобы сравнить численность  отдельных популяций или изменение  численности одной и той же  популяции в разные отрезки  времени пользуются таким относительным  показателем, как плотность. Плотность  - это численность популяции, отнесенная  к единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на единицу площади или объема.

      Зная изменение плотности во  времени или пространстве, можно  установить, увеличивается или уменьшается  численность особей, представляет  или нет данная популяция угрозу  хозяйственным интересам (хотя иногда для этого нужны дополнительные данные).

      Динамика плотности популяций отражает сложные закономерности взаимоотношений между различными животными, между животными и растениями, поскольку все они являются биологическими факторами по отношению друг к другу. Плотность может также зависеть и от колебаний абиотических факторов среды. Плотность популяции – видоспецифический показатель, для каждого вида существуют оптимальные пределы плотности его популяций. Варьирование плотности в объеме каждой популяции зависит от всего комплекса биотических и абиотических факторов окружающей среды.

      Численность и плотность популяции  – не случайные величины, они  предопределены не только режимами  экологических факторов в данное  время, но и всем предшествующим развитием данной популяции. Численность живых организмов не бывает постоянной, а всегда колеблется в более или менее широких пределах. Знание  закономерностей динамики численности популяций  необходимо для прогнозирования возможных нежелательных явлений и внесения коррективов в эту динамику с целью управления ею.

      Изменение численности особей в популяции влияет на плотность. В конкретный момент времени численность особей в популяции отражает ее рождаемость и смертность, в зависимости от соотношения этих показателей говорят о  балансе популяции.  Если рождаемость выше смертности, то популяция численно растет, и наоборот.

      Под рождаемостью понимают численно  выраженную способность популяции  к увеличению. Эта способность  зависит от многих факторов: числа самок в популяции, количество половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, условий размножения и др. Смертность, как и рождаемость, можно выразить в количестве особей, погибших за определенный отрезок времени. Но обычно говорят о выживаемости, которая фактически и характеризует состояние популяции. Под  выживаемостью  понимают долю особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения.

      Теоретически скорость естественного роста популяции в нелимитированной какими-либо факторами среде характеризуется экспоненциальным законом. (рис. 7)

Рис. 7.  Некоторые типы динамики популяций:

А – j-образная кривая экспоненциального роста.

Б – s-образная (логистическая кривая)

В – экспоненциальный рост и падение численности (N)