Лекция 1 История науки. Предмет экологии. Направления экологии. Подходы и методы экологии

группа, популяция животных и растений, имеющих общие требования к среде обитания.
Типы взаимоотношений в биоценозах:
- пищевые, трофические (пищевые цепи, конкуренция за пищу);
- пространственные, топические (распределение в пространстве. Конкуренция за место);
- средообразующие (формирование структуры биотопа, микроклимата).
На уровне биоценозов функционируют 2 канала информации:
- селфинг (система поддерживания вида, его репродукция, устойчивое существование);
- координация (связывает биоценоз как целое, связь между отдельными видами и с окружающей средой).
Крупные биоценозы называются биомы или формации.
Наземные биомы
Открытые:
1)
тундра – отсутствует древесная растительность. Вечная мерзлота. Мхи, лишайники, карликовые кустарники (ива, береза, вереск). Олень, овцебык.
Перелетные птицы. Лимит фактор – холод;
2)
пустыня. Лимит фактор – сухость. Растения – ксерофиты. Грызуны и рептилии;
3)
степи – злаки, копытные. Климат умеренный. Колебания сезонные, влажности и сухости;
4)
саванна – богатая флора и фауна;
5)
лес – тайга, лиственные, тропический лес, чапараль.
Пресноводные: лентические (стоячие); лотические (текучие); болота.
Морские формации:
- открытый океан
- воды континентального шельфа (прибрежные)
- районы аквеллинга (продуктивные рыбные)
- эстуарии.
4. Местообитание
Тот участок абиотической среды, которую занимает биоценоз, называют биотопом. Биотоп – место обитания биоценоза ( лат. биос – жизнь, топос – место), т.е. это участок среды определенного типа, где живет данный организм, например живая изгородь, пресноводное озеро, дубовая роща или каменистый берег.
Организм приспособлен к определенным физическим условиям местообитания.
Но в пределах последнего могут быть места с особыми условиями (например, под корой гниющего ствола в дубовой роще), иногда называемые микроместообитаниями.

На поверхности
Земли основными факторами, определяющими распространение живых организмов, является количество тепла и влаги. Их сочетание определяет тип растительности, а вместе с ним и животный мир в природной зоне. Таблица (Куражновский Ю.И., 1976 г.) ст. 28 зел.к-к.
Пространственная структура биоценоза
Пространственный объем биоценоза определяется системой взаимодействующих видов, осуществляющей цикл биогенного круговорота.
Гессе (1925): выделил крупные подразделения – биоциклы (суша, морские водоемы и пресные воды) или биомы.
Биохоры – крупные пространственные участки биоцикла, охватывающие серию однородных ландшафтных систем (пустыни, тундра). Аналогично –
ландшафтная зона (Берг, 1913, 1931).
Биотоп – пространственная граница биоценоза.
Популяции в составе биоценоза располагаются не только по площади, но и по вертикали в соответствии с биологическими особенностями каждого вида.
Например, в водных экосистемах крупномасштабная вертикальная структура задается в I очередь внешними условиями.
В соответствии со структурным делением водоемов на бенталь (область дна) и пелагиаль (толща воды) все организмы-гидробионты подразделяются на виды, связанные с дном – бентос, и формы, обитающие в пелагиали – пелагос.
Пелагос содержит пассивно парящие в толще воды формы – планктон – и активно плавающих животных – нектон.
В пелагиале определяющие факторы – освещенность, температура, концентрация биогенов. В бентале – гидростатическое давление, разнородность грунтов.
В наземных системах вертикальная структура определяется ярусностью.
Ярусность характерна и для древесных и травянистых экосистем.
В наземных экосистемах выделяются консорции – группировки видов – автотрофов и гетеротрофов, возникающие на основе тесных пространственных и трофических связей. Консорции формируются на основе вида, обладающего средообразующим действием. Пример: сосна с микоризными грибами, эпифитными лишайниками на стволе и ветвях, насекомыми, птицами – это сложнейший консорций, где сосна – детерминанта. Или полевка с эктопаразитами, гельминтами, простейшими и бактериями.
Многообразие жизненных форм определяется климатическими и ландшафтными факторами. Шарообразность Земли, ее вращение и движение вокруг Солнца определяют сезонную и широтную динамику поступления солнечной энергии на различных участках земной поверхности. На этих участках формируются сходные по условиям жизни географические пространства, в пределах которых особенности климата, рельефа, вод, почвенного и растительного покрова образуют целостный комплекс.
Ландшафтно- климатические зоны:
- полярные пустыни;
- тундра;
- леса умеренного климата (хвойные, лиственные);

- степи;
- саванны;
- пустыни;
- тропические леса.
Биомы бывают сухопутные, морские и пресноводные.
5. Экологическая ниша
Каждый вид занимает в своем местообитании определенную экологическую нишу, т.е. это положение вида, которое он занимает в общей системе биоценоза, комплекс его биоценотических связей и требований к абиотическим факторам среды.
Понятие экологической ниши подразумевает не только физическое пространство, где может быть обнаружен данный вид, но также, определенную его роль в сообществе, в частности его питание и взаимоотношения с другими видами. Когда два вида занимают одну и ту же нишу, они обычно конкурируют друг с другом, пока один из них не будет вытеснен. Сходные местообитания включают сходный набор экологических ниш, и в различных частях земного шара можно встретить морфологически близкие, хотя и различные по таксономическому положению виды животных и растений. Например, открытые луга, степи и заросли низкого кустарника служат экологическими нишами для быстро бегающих травоядных, но это могут быть лошади, антилопы, кенгуру и т.п.
Ю.Одум: Экологическая ниша – это физическое пространство, занимаемое видовой популяцией, поведение популяции, реакция на физическую и биологическую среду, ограниченность другими видами. В данной экологической нише формируются жизненные формы различных видов. В одинаковых экологических нишах неродственные виды могут иметь одинаковую форму.
Пример – быстроплавающие водные организмы (дельфин, тунец, кит, акула), прыгающие животные (тушканчики, кенгуру: компактность, удлиненные задние и укороченные передние конечности, длинный хвост).
Дарвиновское понятие экологической ниши: виды с близкими экологическими нишами могут быть конкурентами, даже если они далеко стоят на эволюционной лестнице (например, саранча и травоядные четвероногие).
Экологический викариат: в разных экосистемах аналогичные экологические ниши могут быть заняты разными видами ( 1. куница в европейской, соболь в азиатской тайге; 2. Бизоны в прериях Сев.Америки, антилопы в саванне Африки, куланы в степях Азии).
Жизненные формы растений по Рауинкиеру К.(1934):
- Эпифиты – растут на других растениях, не имеют корней в почве;
- терофиты – зимуют в стадии семян,
- геофиты (криптофиты) – зимуют в стадии корневищ, луковиц,
- гемикриптофиты – почки возобновления находятся у поверхности почвы;
- хамефиты – почки возобновления над поверхностью почвы
∼
5 см (не более), кустарнички,

- фанерофиты – деревья и кустарники, почки возобновления выше 5 см над почвой.
Водные растения – гидрофиты.
Жизненные формы растений по Серебрякову И.Г.:
- древесные
- полудревесные
- наземные
- водные.
Жизненные формы животных по Кашкарову Д. (1944):
- холоднокровные и теплокровные
- плавающие и роющие
- наземные, древесные
- воздушные.
Экологическая группа – виды разных жизненных форм, обитающие в сходных экологических условиях. Например, ксерофиты – растения, обитающие в сухих условиях, галофиты – обитатели соленых почв.
6. Пищевые цепи и трофические уровни
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример: животное поедает растения. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов – каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим
уровнем (греч. trophos – питание). Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Обычно бывает четыре или пять трофических уровней и редко больше шести.
Первичные продуценты
Первичными продуцентами являются автотрофные организмы, в основном зеленые растения. Продуценты
1
- это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии.
Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Это главным образом зеленые (хлорофиллоносные) растения, но к фотосинтезу способы и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии
1
От лат. producentis - производящий

(синезеленые
«водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле.
Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти синезеленые. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ.
Консументы. Живые вещества, не способные строить свое тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи, относятся к группе гетеротрофных организмов, живущих за счет продуктов, синтезированных фото- или хемосинтетиками. Пища, извлекаемая тем или иным способом из внешней среды, используется гетеротрофами на построение собственного тела и как источник энергии для различных форм жизнедеятельности. Таким образом, гетеротрофы используют энергию, запасенную автотрофами в виде химических связей синтезированных ими органических веществ.
Редуценты
2
. К этой экологической категории относятся организмы- гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих.
Автотрофы служат пищей гетеротрофам. Животное поедает растение.
Другое животное поедает его. Такая последовательность – пищевая цепь. Каждое ее звено – трофический уровень.
Первый трофический уровень – автотрофы (первичные продуценты растения, водоросли)
Второй трофический уровень – гетеротрофы (первичные консументы - травоядные животные: насекомые, птицы, рептилии, млекопитающие, например, копытные, грызуны, раки, фитопланктон, мидии, паразиты).
Третий трофический уровень – гетеротрофы растений (грибы) и вторичные консументы – хищники.
Различают пастбищные и детритные пищевые цепи.
Пастбищная цепь простирается от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).
Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества – детрита, которые разрушается детритофагами, поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки.
Пример пастбищной трофической цепи:
Нектар
→
муха,
→
паук
→
землеройка
→
сова;
Сок розового куста
→
тля
→
божья коровка
→
паук
→
птица воробей
→
хищная птица (ястреб);
Морские водоросли
→
береговая улитка
→
кулик;
Диатомовые (одноклеточные водоросли)
→
веслоногие (рачки)
→
сельдь.
Пример детритной трофической цепи:
Листовая подстилка
→
дождевой червь
→
черный дрозд
→
ястреб.
2
От лат. reducens – возвращающий, восстанавливающий

Мертвое животное
→
личинки мух
→
травяная лягушка
→
уж.
Грибы выделяют целлюлазу, разлагают древесину, этими кусочками
(детритом) питаются животные. Редуценты – грибы, бактерии-сапрофиты.
Детритофаги – животные (дождевые черви, мокрицы, клещи, нематоды).
Реально пищевые цепи намного сложнее, т.к. животное может питаться организмами разных типов. Некоторые животные питаются другими животными и растениями, всеядные (человек, медведь).
Экологические пирамиды
Более удобно использовать пирамиды численности, биомасс, энергии.
Пирамиды численности неудобно использовать, т.к.:
1.
Продуценты сильно размножаются по размерам (трава и дуб).
2.
Диапазон численности широк, трудно соблюсти масштаб. Правда, можно использовать логарифмическую шкалу.
Пирамиды биомассы: масса организмов.
При отборе образца определяется биомасса на корню. Однако могут быть ошибки. Ведь биомасса на корню не содержит информации о скорости образования (продуктивности).
Пирамиды энергии наиболее удобны:
1.
Отражает скорость образования биомассы. Каждая ступень пирамида Э отражает. Количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период.
2.
При одинаковой биомассе 2 вида необязательно содержат одинаковое количество энергии.
3.
Пирамиды энергии позволяют сравнивать не только различные экосистемы, но и относительную значимость популяции внутри системы. Например, почвенные бактерии при ничтожной массе (поток энергии сравнительно с моллюсками больше, чем у оленей и мышей).
4.
К основанию можно добавить еще одну ступень – солнечную энергию.
Но пирамиды энергии трудно получить.
7. Продуктивность экосистем
При отборе образцов в данный момент времени определяется так называемая биомасса на корню, или урожай на корню. Важно понимать, что эта величина не содержит никакой информации о скорости образования биомассы
(продуктивности) или ее потребления; иначе могут возникнуть ошибки.
Энергия поступает в биотический компонент экосистемы первичных продуцентов. Скорость накопления энергии первичными продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, называется первичной продукцией. Это важный параметр, так как им определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит, и количество
(биомасса) живых организмов, которые могут существовать в экосистеме.

Скорость, с которой растения накапливают химическую энергию, называется валовой первичной продуктивностью (ВПП). Примерно 20% этой энергии расходуется растениями на дыхание и фотодыхание.
Скорость накопления органического вещества за вычетом этого расхода называется чистой первичной продуктивностью (ЧПП). Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.
Количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами, называется вторичной продукцией (на любом трофическом уровне).
Приведенное ниже словесное уравнение суммирует расход потребленной животным энергии:
Потребленная пища = Рост + Дыхание + (Фекалии + Экскреты)
П=Р+Д+Ф+Э
К=Р/П – коэффициент использования пищи.
Энергия солнечного излучения:
- отражение – 30%
- прямое превращение в тепло – 46%
- испарение, осадки – 23%
- ветер, волны, течения – 0,2%
- фотосинтез – 0,8%.
За год на Земле образуется 100-150 млрд. т сухого органического вещества в результате фотосинтеза. Баланс СО
2
и О
2
за последние 60 млн лет образовался в результате преобладания в биосфере процессов синтеза над распадом.
Самые высокопродуктивные экосистемы в биосфере имеют продуктивность
2-3 кг/м
2
/год (
Биологический вакуум – открытый океан, пустыни.
В Башкирии:
1. Высокопродуктивные – липовые, дубовые леса, заросли рогоза, посадки кукурузы (1-2 кг/м
2
/год)
2.Умеренной биопродукции – посевы, березовые и сосновые леса, луга (0,25 –
1 кг/м
2
/год).
3.
Низкая биопродукция – горные степи, пастбища (менее 0,25 кг/м
2
/год).
В каждом звене пищевой цепи часть энергии теряется. Отсюда очевидно, что длина пищевой цепи лимитируется размерами этих потерь.
Средняя эффективность переноса энергии от растений к травоядным животным составляет около 10%, а от животного к животному – около 20%. В целом травоядные менее эффективно усваивают пищу, чем хищники. Это связано с тем, что растения содержат большое количество целлюлозы, а часто и древесины (содержащей целлюлозу и лигнин), которые плохо перевариваются и поэтому не могут служить источником энергии для большинства травоядных.
Энергия, теряющаяся при дыхании, не передается другим организмам.
Энергия же, заключенная в экскрементах и отходах метаболизма, передается детритофагам и редуцентам и, таким образом, не теряется для экосистемы.
Детритные цепи начинаются с мертвых организмов и отмерших частей растений
(опавших листьев, ветвей).
Трофические взаимодействия подчиняются

перейти в каталог файлов