Экология как наука

Виды с К-стратегией более конкурентоспособны, и в  конце концов они вытесняют r-виды, которые тем временем перемещаются в другие нарушенные местообитания.

Сукцессия любого масштаба заканчивается формированием  зрелого сообщества, и в экосистеме все популяции приходят в состояние  динамического равновесия.

В ходе сукцессии  постепенно нарастает видовое разнообразие.

С энергетических позиций сукцессия - это такое  неустойчивое состояние сообщества, которое характеризуется несоответствием  двух показателей: валовой продуктивности и энергетических затрат всей системы  на поддержание жизнедеятельности - дыхания.

Изымая избыток  чистой продукции из сообществ, находящихся  в начале развития сукцессии, мы задерживаем  ее, но не подрываем основу существования  сообщества.

Вмешательство же в стабильные, климаксовые системы  неминуемо вызывает нарушение сложившегося равновесия. Пока нарушение не превышает  самовосстановительной способности  системы, вторичные сукцессии могут  вернуть ее к исходному состоянию - этим пользуются, например, при планировании рубок леса.

16. Популяция как  биологическая система

 

Популяция - совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство в течение большого числа поколений и связанных между собой различными взаимоотношениями, которые обеспечивают им устойчивое существование в данной природной среде. Одно из фундаментальных свойств популяции - единство морфобиологического типа составляющих ее особей. Масштабы территориальной группировки вида и степень ее репродуктивной изоляции от других аналогичных группировок определяют величину такого единства.

Способность к  воспроизводству путем свободного обмена генетической информацией (панмиксия) - важнейшее свойство популяции.

В фитоценологии  принят термин «ценопопуляции», подчеркивающий место и роль населения определенного  вида в функционировании фитоценоза. Популяции растений составлены прикрепленными формами. В качестве структурных  элементов ценопопуляции выступают  особи семенного и вегетативного  происхождения, клоны, часть особи - побег, лист, парциальный куст. На основе пространственной и функциональной структуры популяций, численности  и плотности населения, рождаемости  и смертности, возрастной структуры  складывается ход динамики популяций, определяющий изменения фитоценоза в целом. Типы пространственного  распределения особей в популяциях:

1) равномерный  - равное удаление каждой особи  от всех соседних (в природе  встречается редко);

2) случайный  (диффузный) - встречается чаще;

3) мозаичный  (агрегированный) - характерен для  высших животных.

Участок обитания играет биологическую роль в жизни  животных. Они хорошо исследуют территорию обитания, перемещаются по своим тропам, выбирают места укрытия, формируют  запасы корма. Обеспеченность кормом, количество убежищ, мест, пригодных  для создания гнезд, нор, - все эти  факторы определяют приуроченность участка к определенному месту.

Существование животных, птиц, рыб в составе  группы имеет биологические преимущества: уменьшение затрат на добычу корма, своевременное  обнаружение хищника, организация  обороны от его нападения, возможность  обучения молодых особей группы. В стадах, стаях существуют индивидуальная дистанция, которую соблюдают особи по отношению друг к другу, и синхронизация действий при движении (перелетах] популяции. Важным фактором поддержания целостности стада как функциональной популяционной системы является поддержание информационных контактов. Информация передается звуками, запахами, через следы, тропы, норы, гнезда, фекалии, электрическими разрядами (некоторые рыбы), механическими колебаниями воды (беспозвоночные).

Часто происходит сближение внутрипопуляционных  группировок - перекрывание территорий.

17. Конкуренция

 

Конкуренция - взаимодействие организмов, проявляющееся во взаимном угнетении друг друга из-за потребности в одном и том же ресурсе - потребляемом компоненте среды. Конкуренция - биотический фактор - возникает в результате нехватки ресурса или его ограниченной доступности. Таким ресурсом может быть объект питания для животных, элементы минерального питания для растений (соединения фосфора, азота, калия и др.), пространство для устройства гнезда, норы, количество света и влаги и т.д.

Конкуренция бывает:

1) межвидовой - распространяется  практически на все виды организмов. Формы проявления - от жестокой  борьбы до почти мирного сосуществования.  Выигрывает в борьбе вид, который  в данных экологических условиях  имеет хотя бы небольшие преимущества  перед другим видом. Например, в результате конкуренции двух  сходных видов растений, произрастающих  в одной среде, победу одерживает  тот вид, который раньше достигнет  яруса, имеющего лучшую освещенность. Итог межвидовой конкуренции  - вытеснение одного из двух  видов из сообщества или расхождение  этих видов по различным экологическим  нишам. Межвидовая конкуренция  играет важную роль в формировании  облика природного сообщества;

2) внутривидовая  - борьба за территорию, участок  обитания, охрана индивидуального  охотничьего участка (территориальность). У растений территорию занимает  вид - часть популяции, у животных - особь. Борьба особи за территорию  может осуществляться простым  пением, угрожающими позами. Об интенсивности  внутривидовой конкуренции можно  судить по тому, как снижается  скорость роста популяции - падает  рождаемость и растет смертность - при увеличении ее плотности.  Территориальность является способом  не допустить слишком высокой  плотности особей своего вида  и сохранить кормовую базу  для себя и потомства.

Согласно математической модели, развитой и подтвержденной экспериментально русским ученым Г.Ф. Гаузе, сформулирован принцип конкурентного  исключения (теорема Гаузе), который  гласит: «Два вида, конкурирующие за один ресурс, не могут существовать в гомогенной среде, и исход конкуренции  определяется соотношением интенсивности  самоограничения каждой из популяций  и их взаимоотношений». Принцип в  последнее время оспаривается.

Сосуществование конкурирующих видов (несоблюдение закона Гаузе) происходит по следующим  причинам:

1) популяции  разных видов ограничены разными  ресурсами;

2) хищник преимущественно  выедает более сильного конкурента;

3) конкурентное  преимущество видов изменяется  в зависимости от непостоянства  внешних условий;

4) популяции  разных видов разделены в пространстве  и времени.

18. Трофические уровни

 

Устойчивые биогеохимические циклы вещества и энергии в  биосфере нашей планеты формируются  вследствие биологического разнообразия потребляемого организмами набора веществ и выделяемых в природную  среду продуктов жизнедеятельности. Базу биологического круговорота веществ  составляют трофические уровни, которые представлены конкретными видами живых организмов, делящимися на три основные группы: продуценты, консументы и редуценты. Трофический уровень составляют популяции организмов, выполняющих в экосистеме одинаковые трофические функции и имеющих различный видовой состав (от греч. trophe - «питание»).

Первый трофический  уровень - уровень первичной продукции - образуют автотрофы. Это организмы, которые синтезируют органические вещества (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты) из неорганических соединений, используя энергию Солнца. Первичная продукция - это биомасса растительных тканей. Первичные продуценты - растения, фотоавтотрофные бактерии и хемосинтезирующие бактерии (хемотрофы). Хемотрофы - микроорганизмы, синтезирующие органическое вещество за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и других веществ, имеющихся в воде и почве.

Второй трофический  уровень представляют консументы (гетеротрофы):

1) первого порядка  - фитофаги - используют в качестве  пищи растения;

2) второго порядка  - питаются животной пищей.

Консументы - животные, бактерии, грибы, паразитические и насекомоядные  растения - накапливают в тканях своего тела энергию, которая используется в пищу консументами высших порядков. Эта энергия составляет вторичную  продукцию экосистемы.

На третьем  трофическом уровне - редуценты. Это организмы, разлагающие до минеральных веществ, диоксида углерода и воды отходы жизнедеятельности и отмершие организмы. Консументы также участвуют в минерализации органических веществ.

Все организмы  используют в пищу биомассу предыдущих трофических уровней, теряя энергию  с потерями на дыхание, обогрев тела, на различные формы деятельности, на выделение экскрементов.

Между видами разных трофических уровней существуют взаимоотношения, образующие систему  трофических цепей (цепей питания). Использование ресурсов на каждом трофическом  уровне зависит от видового разнообразия экосистемы.

Видовое разнообразие может снижаться в зонах загрязнения, вызывая упрощение трофической  структуры.

Сегодня фиксируются  нарушения структуры биоценозов вследствие загрязнения окружающей природной среды. Токсиканты передаются по цепям питания и способствуют гибели животных, птиц, гидробионтов, а  также накапливаются в пищевых  продуктах, потребляемых человеком.

19. Первичная продукция  - продукция автотрофных  организмов

 

Скорость образования  биомассы первичными продуцентами (растениями) называют первичной продукцией.

Первичная продукция - продукция автотрофных организмов. Автотрофы занимают первый трофический  уровень.

Перевод слова  с греческого: avto - «сам», trophe - «питание», т.е. самопитающиеся. Биосферная функция  автотрофных организмов - вовлечение неживой природы в состав тканей организмов, в биологический круговорот.

95% всех живых  организмов в биосфере составляет  масса автотрофовпродуцентов. Основная  роль в живом веществе Земли  принадлежит автотрофным растениям  суши.

Автотрофные организмы (первичные продуценты) синтезируют  органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних  источников энергии. Распределение  автотрофных организмов географически  неравномерно и зависит от количества тепла и влаги. Максимум запасов  фитомассы приходится на область  тропиков, где первичная продуктивность достигает 650 т/га. Запасы фитомассы  в полярных и пустынных областях составляют 1 - 2 т/га. Годовая продукция  наземной растительности составляет 180 - 200 млрд т.

Фитомасса Мирового океана, состоящая из водорослей и  фитопланктона, невелика, так как  быстро вовлекается в цепи питания. Максимум фитомассы достигается  в умеренном поясе. Приток питательных  веществ с континентов обеспечивает насыщенные жизнью зоны океанов вблизи берегов. Годовая продукция фитомассы  океана составляет около 50100 млрд т.

Продуценты по характеру источника энергии  для синтеза делятся на фотоавтотрофы  и хемоавтотрофы.

Фотоавтотрофы используют для синтеза энергию  солнечного излучения (длина волны 380710 нм) и диоксид углерода, воду, азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания. Фотоавтотрофы - это зеленые растения. Автотрофыфотосинтетики играют большую роль в высвобождении  молекулярного кислорода. Выработка  кислорода в наземных экосистемах  осуществляется только растениями. В  водной среде к фотосинтезу способны цианобактерий, но они не выделяют кислород.

Хемоавтотрофы используют энергию химических связей в процессах синтеза органического  вещества. Кхемоавтотрофам относятся  прокариоты: бактерии, архебактерий и  отчасти синезеленые водоросли. В процессе окисления минеральных  веществ аммиак окисляется до нитритов, затем до нитратов, закисное железо - до окисного, сероводород - до сульфатов.

Некоторые живые  организмы, сочетающие свойства автотрофности  с использованием в пищу готовых  органических веществ, называют миксотрофами. Типичный представитель миксотрофов - омела.

20. Значение фото  и хемосинтеза

 

Реакция синтеза  органических веществ с помощью  световой энергии называется фотосинтезом. В ходе фотосинтеза усваивается  порядка 200 млрд т СО2 и выделяется около 145 млрд т свободного кислорода. Поток солнечной энергии, используемой для фотосинтеза, может быть прямым либо отраженным от других предметов, сквозь них прошедшим. Зеленым листом поглощается в среднем 75% падающей на него лучистой энергии, но на фотосинтез используется только небольшая ее часть. На уровень фотосинтеза влияют внешние  факторы - температура, свет, диоксид  углерода и кислород. Оптимальными температурными условиями являются тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90% своей максимальной величины. Повышение концентрации СО2 в атмосфере  ведет к усилению фотосинтеза (до определенного предела). Недостаток воды может быть ограничителем процесса фотосинтеза.

Диоксид углерода и вода - основные исходные вещества, которые используются для фотосинтеза, осуществляемого пигментной системой - хлорофиллом (в некоторых случаях  его аналогами). Хлорофилл придает  листьям растений зеленую окраску. Процесс фотосинтеза выражается через уравнение: солнечная энергия