Шпаргалки по "Экологии"

Большинство экосистем  сложилось в ходе длительной эволюции и является результатом приспособления видов к окружающей среде. Экосистемы обладают саморегуляцией и способны противостоять, по крайней мере в известных пределах, изменениям окружающих условий и резким колебаниям плотности популяций.

Идеальным примером экосистемы может служить озеро. Это четко  ограниченное сообщество, различные  компоненты которого нераздельно связаны  друг с другом и являются объектами  многочисленных взаимодействий.

Классификация и  типы экосистем. Термин «экосистема» применим к взаимодействию биоценозов и биотопов различного размера. При этом различают:

·  микроэкосистемы, подобные стволу погибшего дерева;

·  мезоэкосистемы, например лес или пруд;

·  макроэкосистемы, такие, как океан;

·  мегаэкосистемы, биосфера, объединяющая все существующие экосистемы.

Экосистемы классифицируются и по другим признакам. Например, выделяют естественные и искусственные экосистемы. Широко используется классификация по биомам. Этот термин обозначает крупную региональную экосистему, характеризующуюся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта. Различают наземные биомы (тундра, бореальные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степь, саванна, пустыня, вечнозеленый тропический дождевой лес), пресноводные экосистемы (стоячие, текучие, заболоченные), морские экосистемы (пелагические, прибрежные).

Переход от одной экосистемы к другой может быть более или  менее резким. Однако во всех случаях  существует переходная зона, которая  может захватывать территорию от нескольких метров (береговая зона озера) до десятков километров (переходная зона между лесами и степями). Переходную зону называют экотоном. К нему относятся, например, болотистые пространства, располагающиеся между прудом и окружающими его наземными формациями; заросли кустарника, отделяющие лес от поля. Фауна экотонов и в видовом отношении, и численно богаче соседних биоценозов, так как здесь происходит смешение видов. В этом состоит проявление так называемого краевого эффекта.

24  Структура  экосистем

Состав и структура  экосистем. Сточки зрения трофической структуры (от греч. trophe – питание) экосистему можно разделить на два яруса: 1) верхний автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений и 2) нижний гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т.д., в котором преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений. С биологической точки зрения в составе экосистемы удобно выделять следующие компоненты: 1) неорганические вещества (C, N, CO₂, H₂O и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4) продуцентов, автотрофных организмов, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; 5) консументов, в основном животных, питающихся растениями и другими животными; 6) деструкторов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию путем разложения мертвых тканей. В результате деятельности деструкторов высвобождаются неорганические элементы питания, пригодные для продуцентов.

25  Поток энергии  в экосистемах

Перенос энергии  и вещества в экосистемах. Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются следующими законами. Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется следующим образом: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. К примеру, тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холодной среде. Энтропия – мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. Этот термин также используется как мера изменения упорядоченности.

Важнейшая термодинамическая  характеристика организмов, экосистем  и биосферы в целом – способность  создавать и поддерживать высокую  степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Это состояние достигается постоянным рассеиванием легко используемой энергии (свет, пища) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (тепловую).

Основным источником энергии, поступающим извне, является лучистая энергия, которая усваивается организмами-продуцентами в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ. Помимо этого энергия поступает  в экосистему и из почвы в виде питательных веществ, а также  преобразуется продуцентами. На следующем  этапе преобразования энергии ранее  созданные питательные вещества используются консументами. И последний  этап – это высвобождение энергии  в результате функционирования деструкторов. Высвобожденная энергия содержится в неорганических веществах в  почве, а также в виде тепловой и других типов энергии в окружающей среде. Таким образом, осуществляется обмен энергии в экосистеме. Так  как экосистемы относятся к открытому  типу систем, то неизбежны утечки энергии, а также поступление энергии  из других источников.

Энергия необходима:

1) на поддержание жизни,  т.е. основной обмен;

2) на перемещение в  пространстве;

3) на обеспечение роста;

4) на формирование элементов,  необходимых для размножения,  и образование углеводных и  жировых запасов.

26  Пищевые цепи и сети, трофические уровни в экосистемах

 Пищевой цепью называют ряд живых организмов, в котором одни организмы поедают предшественников по цепи и в свою очередь оказываются съеденными теми, кто следует за ними.

Существуют два типа пищевых цепей: одни начинаются живыми растениями автотрофами, которыми питаются травоядные животные; другие начинаются неживыми и более или менее разложившимися веществами растительного или животного происхождения, потребляемые детритоядными формами.

1. В случае, если цепь  начинается с живых растений, можно выделить следующие категории:  продуценты (растения), первичные консументы (травоядные животные), вторичные  консументы, третичные консументы  и деструкторы.

Среди цепей, начинающихся с  животных, можно выделить цепи хищников и цепи паразитов.

Трава → кролик → лисица

Трава → травоядное млекопитающее → блохи → жгутиковые одноклеточные

2. В целом ряде случаев  цепи начинаются с неживых  органических веществ, когда консументами  оказываются детритоядные организмы.  Это могут быть мелкие животные, преимущественно многочисленные  беспозвоночные (черви), которые живут  в почве, питаясь опавшей листвой,  или же бактерии и грибы,  разлагающие органические вещества.

Организмы считаются принадлежащими к одному трофическому уровню в том случае, когда в цепи питания они отделены от растительности равным числом звеньев. Зеленые растения составляют первый трофический уровень.

Трофическую структуру  экосистемы можно описать, пользуясь  данными по численности особей, биомассы или энергии. Эту структуру можно  изобразить также графически с помощью экологических пирамид.

Если представить  пищевую цепь хищников в виде расположенных  один на другом прямоугольников равной высоты, длина которых пропорциональна  числу особей в каждом трофическом  уровне, то получается фигура, называемая пирамидой чисел. Она тем выше, чем большее число трофических уровней включает данная цепь. Поскольку число особей от первого к последнему трофическому уровню обычно уменьшается, пирамида имеет вид треугольника, обращенного вершиной вверх.

В пирамиде биомасс для каждого трофического уровня указывают биомассу соответствующих организмов.

Пирамиды энергии являются наилучшим способом графического изображения структуры экосистемы. Каждый трофический уровень изображается прямоугольником, длина которого пропорциональна количеству энергии, накопленной в этом уровне единицей площади (или объема) в единицу времени.

Трофические сети отображают совокупность всех трофических связей, которые имеются в той или иной экосистеме.

27   Продуктивность  экосистем

При анализе продуктивности и потоков вещества и энергии  в экосистемах выделяют понятия биомасса и урожай на корню. Под урожаем на корню понимается масса тел всех организмов на единице площади суши или воды^[15], а под биомассой — масса этих же организмов в пересчёте на энергию (например, в джоулях) или в пересчёте на сухое органическое вещество (например, в тоннах на гектар)^[15]. К биомассе относят тела организмов целиком, включая и витализированные омертвевшие части и не только у растений, к примеру, кора и ксилема,но и ногти и ороговевшие части у животных. Биомасса превращается в некромассу только тогда, когда отмирает часть организма (отделяется от него) или весь организм. Часто зафиксированные в биомассе вещества являются «мёртвым капиталом», особенно это выражено у растений: вещества ксилеммы могут сотнями лет не поступать в круговорот, служа только опорой растения^[15].

Под первичной продукцией сообщества^[42] (или первичной биологической продукцией) понимается образование биомассы (более точно — синтез пластических веществ) продуцентами без исключения энергии, затраченной на дыхание за единицу времени на единицу площади (например, в сутки на гектар).

Первичную продукцию  сообщества разделяют на валовую первичную продукцию, то есть всю продукцию фотосинтеза без затрат на дыхание, и чистую первичную продукцию, являющуюся разницей между валовой первичной продукцией и затратами на дыхание. Иногда её ещё называют чистой ассимиляцией или наблюдаемым фотосинтезом^[2]).

Чистая продуктивость  сообщества^[43] — скорость накопления органического вещества, не потребляемого гетеротрофами (а затем и редуцентами). Обычно вычисляется за вегетационный период либо за год^[2]. Таким образом, это часть продукции, которая не может быть переработана самой экосистемой. В более зрелых экосистемах значение чистой продуктивости сообщества стремится к нулю (см. концепцию климаксных сообществ).

Вторичная продуктивность сообщества — скорость накопления энергии на уровне консументов. Вторичную продукцию не подразделяют на валовую и чистую, так как консументы только потребляют энергию, усвоенную продуцентами, часть её не ассимилируется, часть идёт на дыхание, а остаток идёт в биомассу, поэтому более корректно называть её вторичной ассимиляцией^[2].

 

Схема распределения потоков вещества и энергии среди продуцентов  и консументов (по Ю. Одуму, 1971)

Распределение энергии  и вещества в экосистеме может  быть представлено в виде системы  уравнений. Если продукцию продуцентов представить как P₁, то продукция консументов первого порядка будет выглядеть следующим образом:

• P₂=P₁-R₂,

где R₂ — затраты на дыхание, теплоотдача и неассимилированная энергия. Следующие консументы (второго порядка) переработают биомассу консументов первого порядка в соответствии с:

• P₃=P₂-R₃

и так далее, до консументов самого высшего порядка  и редуцентов. Таким образом, чем  больше в экосистеме потребителей (консументов), тем более полно перерабатывается энергия, первоначально зафиксированная  продуцентами в пластических веществах^[8]. В климаксных сообществах, где разнообразие для данного региона обычно максимально, такая схема переработки энергии позволяет сообществам устойчиво функционировать на протяжении длительного времени.

28  Динамика  экосистем

 Динамика экосистем. Одно из основных свойств экосистем – это их динамизм. Наблюдения за заброшенным полем показывают, что его последовательно завоевывают сначала многолетние травы, затем кустарники и, наконец, древесная растительность. Понятие сукцессии известно давно, но более детальное изучение этого явления и большая часть терминов, используемых при описании биоценозов, связаны с именем Клементса.

Основными факторами, влияющими  на развитие экосистем, являются: климатические (изменения, произошедшие в четвертичный период во время межледниковых и  ледниковых периодов), геологические (эрозия, горообразование, вулканизм), эдафические (развитие почв), биологические (межвидовая конкуренция), деятельность человека (пожары, вырубки, интродукция новых видов  животных и растений).

Сукцессии бывают первичными и вторичными.

Первичными сукцессиями называют освоение живыми организмами тех станций, которые никогда прежде не были заселены, т.е., иными словами, пустых мест. Впервые поселяющиеся в них организмы именуют пионерами. Конечным этапом эволюции экосистемы является стабильный биоценоз, находящийся в равновесии со средой. Этот этап называется климаксовым.

Вторичные сукцессии появляются в станциях, которые уже были заселены, но лишились своих обитателей в результате климатических (оледенения, пожары) или геологических (эрозия) явлений, а также из-за вторжения человека (распашка полей).

Говоря об устойчивости экосистем, или их стабильности, мы должны отметить, что существуют два типа стабильности: резистентная устойчивость (способность оставаться в устойчивом состоянии под нагрузкой) и упругая устойчивость (способность быстро восстанавливаться). Для экосистем эти два типа устойчивости не могут одновременно полноценно развиваться. Так, калифорнийский лес из секвойи довольно устойчив к пожарам (для этих деревьев характерна толстая кора и другие адаптации), но если он все же сгорит, то восстанавливается очень медленно или не восстанавливается вовсе. Напротив, калифорнийские заросли чапараля очень легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (отличная упругая устойчивость).

И еще одно замечание. Устойчивость экосистем обусловлена эффективностью действия внутренних механизмов экосистемы. Выполнение функций жизнеобеспечения экосистеме не одним, а несколькими  видами или компонентами повышает стабильность экосистемы.

29 Биосфера как глобальная  экосистема

Понятие «биосфера» в  научную литературу введено в 1875 г. австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом К биосфере он отнес все  то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы. 
 
Владимир Иванович Вернадский использовал этот термин и создал науку с аналогичным названием. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В. И. Вернадский не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной средообразующей силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. В И Вернадский вывел первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов образования и разрушения геологических структур, круговорота веществ, изменения твердой (литосферы), водной (гидросферы) и воздушной (атмосферы) оболочек Земли. Часть биосферы, где живые организмы встречаютсяв настоящее время, принято называть современной биосферой, (необиосферой), древние же биосферы относят к (палеобиосферам). Как пример последних можно указать безжизненные концентрации органических веществ (месторождения каменных углей, нефти, горючих сланцев.), запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, рудные образования). 
 
Границы биосферы. Необиосфера в атмосфере располагается примерно до озонового экрана над большей частью поверхности Земли – 20—25 км. Гидросфера почти вся, даже и самая глубокая Марианская впадина Тихого океана (11 022 м), занята жизнью. В литосферу жизнь также проникает, но на несколько метров, ограничиваясь только почвенным слоем, хотя по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров. В результате границы биосферы определяются присутствием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности. Экосистемы являются основными звеньями биосферы. На уровне экосистем основные свойства и закономерности функционирования организмов можно рассмотреть более детально и глубоко, чем это сделано на примере биосферы. 
 
Через сохранение элементарных экосистем и решается главная проблема современности – предотвращение или нейтрализация неблагоприятных явлений глобального кризиса, сохранение биосферы в целом.