Тема – 4. Экология сообществ – синэкология

Цель лекции:Сформировать целостное представление об структуре и функционировании сообществ живых организмов.

Основные вопросы:1.Основные понятия синэкологии:биоценоз, биогеоценоз,биотоп,экотоп, экосистема, экологическая ниша2.Структура биоценозов.3.Отношения организмов в биоценозах:топическое, форическое и фабрическое.3.Типы биотических взаимотношений.4Трофическая структура сообществ. 5.Экосистема и типы экосистем.6.Функции экосистем:энергетический обмен и круговорот веществ, целостность и устойчивость экосистем.7,Биологическая продуктивность экосистемы.8.Экологические пирамиды.

Подобно тому, как отдельные особи не могут существовать в природе вне популяции, так и популяции не могут существовать в определенном месте обособленно от популяций других ви­дов, т.е. вне биогеоценоза. В природе популяции разных видов интегрируются в макросистемы более высокого ранга- в сообщества, или биоценозы. Биоценоз(от греч.-жизнь,-общий)-это организованная группа популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» предложено в 1877г. немецким зоологом К. Мебиусом.

Биогеоценоз -это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих популяций разных видов, обитающих на определенной территории с относительно однородны­ми условиями существования. С точки зрения понятия биогеоценоза эта тер­ритория с относительно однородными условиями существования ранее была определена как биотоп.. Например, биото­пом популяций лесных видов растений и животных является лес, который естественным образом разделяется на участки - стации, занятые различны­ми древесными породами (сосна, береза, лиственница), для каждой из кото­рых характерны определенные условия произрастания, отличающиеся раз­ными почвами, влажностью и др.

Понятие экосистемы является одним из основных понятий в современной экологии. Термин "экосистема" был введен в употребление А. Тенсли в 1935 г., спустя более полувека после выделения экологии как самостоятельной отрасли научных знаний (1866). Экологической системой называется совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, обусловленной обменом веществ и распределением потока энергии. Следовательно, в биологическом смысле под экосистемой понимается любая система, включающая в свой состав сообщества живых существ и среду их обитания, объединенные в единое функциональное целое.

Каждая экосистема характеризуется совокупностью свойств и структурой. С точки зрения изучения проблем устойчивого функционирования экосистем интерес представляют такие основные свойства, как способность к образованию живого вещества из компонентов неживой природы, способность осуществлять круговорот веществ в экосистеме, видовое разнообразие, способность поддерживать ее нормальное функционирование в условиях изменяющейся среды обитания и др. Важнейшей с точки зрения организации экосистем является их видовая структура.

Виды экосистем.Экосистема- сложный объект, при изучении которого используют методы системного анализа. Классификация таких сложных систем должна проводиться по различным основаниям, или признакам деления на классы. По пространственному масштабу выделяются экосистемы различного ранга: микроэкосистемы, мезоэкосистемы, макроэкосистемы и глобальная экосистема. Наименьший ранг имеют микроэкосистемы, примерами которых могут служить маленький водоем, труп животного с населяющими его организмами или ствол упавшего дерева в стадии биологического разложения, домашний аквариум и даже лужица или капля воды, пока в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ. Экосистемы промежуточного ранга называются мезоэкосистемами (лес, пруд, река и т.п.). Макроэкосистемы имеют большой пространственный масштаб и связаны с крупными географическими объектами, составляющими по размерам значительную часть земной поверхности (например, океан, континент и т.п.). Самый большой ранг имеет глобальная экосистема, эквивалентная биосфере Земли в целом. Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

По характеру среды обитания сообществ живых организмов природные (естественные) экосистемы разделяют на наземные и водные, среди последних иногда выделяют пресноводные и морские экосистемы. Основные экологические свойства экосистем существенно зависят от различия условий среды обитания (географических, гидрографических, климатических, почвенных и др). Поэтому указанные виды природных экосистем разделяются в свою очередь на различные типы экосистем. В классе наземных экосистем выделяют тундровые, таежные, степные и др., а пресноводные экосистемы делят на озерные, речные, болотные и т.п.

Для удобства рассмотрения некоторых особенностей взаимодействия общества и природы в рамках изучаемой дисциплины по степени антропогенного воздействия на природную среду будем различать три следующих вида экосистем: природные, социоприродные и антропогенные. Природные экосистемы, рассмотренные выше, - это естественные экосистемы, при изучении которых не учитываются какие бы то ни было антропогенные воздействия. К антропогенным будем относить искусственные экосистемы, непосредственно и целенаправленно созданные человеком для удовлетворения своих потребностей. Их удобно разделять на техногенные и агроэкосистемы. К техногенным относятся экосистемы, целенаправленно созданные для решения определенных задач охраны окружающей среды и природопользования, например, сложные очистные сооружения и комплексы биологической очистки сточных вод во многих крупных городах мира. Агроэкосистемы создаются практически во всех странах и предназначены для резкого повышения плодородия земель и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на основе химизации и применения новых технологий сельскохозяйственного производства.

Под социоприродными понимаются экосистемы, которые формируются не в результате целенаправленной деятельности человека, а возникают опосредованно вследствие взаимодействия человеческого общества с природной средой. Неосознанная деятельность человека, связанная с удовлетворением его постоянно растущих потребностей, приводит к тому, что естественные экосистемы в окружающей его среде трансформируются (преобразуются) в социоприродные экосистемы, состоящие из живой и неживой природы и неприроды, т.е. культуры. Особенностью рассмотрения социоприродных экосистем является включение в состав экосистемы человека как носителя культуры. Необходимость такого социоприродного подхода к рассмотрению экосистем в современной экологии обусловлена и тем, что человек в современных условиях стал геологической преобразующей силой, без учета которой невозможно разрабатывать стратегии устойчивого развития цивилизации и рационального природопользования.

Видовая структура природных экосистем.Под видовой структурой экосистемы понимается перечень видов организмов, образующих экосистему, и соотношение их численностей. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем разнообразнее и богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются, например, экосистемы дождевых тропических лесов.

Виды, явно преобладающие по численности особей, называются доминантными. Наряду с доминантами в экосистемах выделяются виды-эдификаторы (от лат. строитель), которые являются основными образователями среды, или, как говорят, средообразующие виды. Обычно вид-доминант одновременно является и эдификатором. Например, ель в еловом лесу наряду с доминантностью обладает высокими эдификаторными свойствами, которые выражаются в ее способности сильно затенять почву, создавать кислую среду своими корневыми выделениями и при разложении мертвого органического вещества образовывать специфические для кислой среды подзолистые почвы. Вследствие высоких эдификаторных свойств ели под ее пологом могут жить только такие виды растений, которые способны мириться со скудным освещением (теневыносливые и тенелюбивые). В то же время под пологом елового леса доминантным видом может быть, например, черника, но она не является существенным эдификатором.

Видовую структуру обычно используют для оценки условий состояния экосистем по видам - индикаторам (от лат. указатель). Так, для лесной зоны кислица указывает на условия увлажнения, близкие к оптимальным, и значительное богатство почв питательными минеральными веществами; черника - на несколько избыточное увлажнение и некоторый дефицит элементов минерального питания; брусника - на дефицит увлажнения и почвенного плодородия; мхи (кукушкин лен и особенно сфагнум) - на чрезмерно избыточное увлажнение, дефицит минеральных веществ, недостаток кислорода для дыхания корней и наличие процессовторфообразования. Наряду с индикаторами меняется состав и других видов, произрастающих под пологом эдификаторов.По растениям-эдификаторам или доминантам и растениям-индикаторам обычно дают названия природным экосистемам. Например, лесоводы по ним определяют типы леса (например, ельники-кисличники, ельники-черничники и др.). По такому же принципу классифицируются и называются другие экосистемы. Например, для степей выделяются типчаково-ковыльные, злаково-разнотравные и другие системы.

Соотношение между понятиями экосистемы и биогеоценоза.Биогеоценоз представляет собой комплекс взаимосвязанных видов организмов (популяций разных видов), обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существованиями. Как и биогеоценоз, экосистема в биологическом смысле является совокупностью взаимосвязанных живых существ и среды их обитания, образующих единое целое. Однако основу биогеоценоза составляют зеленые растения, производящие живое органическое вещество Примеры биогеоценозов - однородные участки леса, луга, степи, болота и т.п.

Экосистема, по определению, может и не включать растительные организмы в свой видовой состав. Таким примером являются природные экосистемы, формирующиеся на базе разлагающихся органических остатков, гниющих в лесу деревьев, трупов животных и т.п.. Таким образом, каждый биогеоценоз может быть назван экосистемой, но не каждая экосистема является биогеоценозом.

Биогеоценозы и экосистемы могут различаться и по временному фактору (продолжительности существования). Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, поскольку все время пополняется энергией за счет деятельности растительных организмов. В то же время экосистемы, в составе которых отсутствует растительное звено, заканчивают свое существование одновременно с высвобождением в процессе разложения органического субстрата всей содержащейся в нем энергии.

Экологическая ниша-это положение вида, которое он занимает в общей системе биоценоза, комплекс его биотических связей и требований к абиотическим факторам среды.

Тема – 5. Учение о биосфера

Цель лекции: Сформировать целостное представление о структуре и функционировании биосферы и основных закономерностях взаимодействий ее компонентов.

Основные вопросы1.Формирование концепции биосферы;2.Учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере:3.Живое вещество биосферы и его фунции.4.Биологический и геологический круговороты веществ в биосфере.5. Концепция антропогенного воздействия как мощного геологического и геохимического фактора.6.Возникновение и развитие ноосферы.7Современная биосфера.8.Рост производства и нагрузки на окружающую среду.

Впервые понятие «биосфера»(от греч. — жизнь и — шар) в качестве термина — австрийским ученым Э. Зюссом (1875). Заслуга в разработке стройного, целостного научного учения о биосфере, как «области жиз­ни», принадлежит академику В.И. Вернадскому (1863— 1945). Под биосферой он понимал область существования живого вещества. Он назвал биосферой оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхно­сти, — писал В.И. Вернадский. — Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы, разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, бо­лее постоянно действующей, а потому и более могуще­ственной по своим конечным последствиям, чем живые ор­ганизмы, взятые в целом».

Таким образом, живым организмам Вернадский отводил роль главнейшей преобразующей силы.При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность орга­низмов не только в границах распространения жизни в нас­тоящее время (современная биосфера, или необиосфера), но и в прошлом (былые биосферы, или палеобиосферы). В та­ком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует либо когда-то существо­вала жизнь, т.е. где встречаются живые организмы или про­дукты их жизнедеятельности.

Современная биосфера представляет собой сложную сис­тему, состоящую из многих компонентов, которые включа­ют всю живую и неживую (среду обитания) природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими цикла­ми миграции веществ и энергии.

Границы биосферы.Верхняя граница биосферы в ат­мосфере определяется высотой 20—25 км — слоем озона; озоновый экран защищает все живое на Земле от ультрафи­олетового излучения Солнца. Споры некоторых бактерий и плесневых грибов были обнаружены на высоте до 22 км.

В гидросфере границы доходят до максимальных глубин, жизнь встречается на дне океанических впадин, до 10—11 км от поверхности, где температура около 0°С.

В литосфере жизнь ограничивается прежде всего, тем­пературой горных пород, постоянно возрастающей с глуби­ной. В породах земной коры бактерии были обнаружены на глубине 4 км.

В пределах биосферы выделяется биогеосфера(«пленка жизни», «слой сгущения жизни», «биогеоценотический покров») — своеобразная оболочка земного шара, где скон­центрировано живое вещество планеты. В отличие от биосферы биогеосфера — это только область высокой кон­центрации живого вещества и располагается она на грани­це поверхности земной коры с атмосферой и в верхней ча­сти водной оболочки, занимая слой толщиной от несколь­ких метров (тундра, степь, пустыня) до сотен метров (леса, моря).

В основу учения Вернадского о биосфере положено представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительно­го превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. В пределах биосферы везде встречается либо само живое вещество, либо следы его деятельности: га­зы атмосферы; природная вода; запасы нефти, угля, извест­няка, глины, сланцы, торф и т.д.

До трудов Вернадского в геологических явлениях и эво­люции верхних слоев литосферы (земной коры) первенство отводилось физико-химическим процессам выветривания. В.И. Вернадский показал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механиз­мов разрушения горных пород, круговорота веществ, изме­нения водной и атмосферной оболочек Земли.

Общая характеристика биосферы. Биосфера(по В.И. Вернадско­му) - оболочка Земли, включающая как oблaсти, где встречаются живые вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосфе­ры несколько условно, так как кроме естественных мест существования орга­нической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подвод­ные лодки) "островки жизни.» Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках - геосферах Земли(литосфера, гидросфера, атмосфера). Инструмент фотосинтеза -живой организм преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биомассу живую, используя солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые
aвтотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света
в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических_связей_в
сложных органических веществах. Большинство бактерий, грибы, животные, нуждающиеся для своего роста и разви­тия в готовых органических соединениях, называются гетеротрофами, т.е. питающиеся другими организмами.

Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни про-
цессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемым благо­
даря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества
из неорганических, и гетеротрофов,, которые используют эти органические соединения, пополняязапас неорганических веществ в биосфере. Следовательно фотосинтез и круговорот ве­ществ - это два основных фактора существования биосферы Земли.