Основы общей экологии

Иерархия биологических систем: молекулы (гены) – клетка – ткань-орган – организм – популяция – экосистема – биосфера (каждая следующая ступенька – совокупность предыдущих). Предмет общей экологии – три последние ступени.

Популяция – совокупность разновозрастных особей одного вида, обменивающихся генетической информацией, объединённых общими условиями существования, необходимыми для поддержания численности в течение длительного времени.

Биосфера занимает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Биосфера – наружная оболочка Земли, включающая все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых.

Это – область превращения излучений Солнца в земную энергию Живые организмы – трансформаторы лучистой энергии Солнца, строящие материю биосферы.

Энергия, выделяемая организмами – это энергия Солнца. Превращение лучистой энергии в химическую энергию связей сложных молекул – главное свойство живого.

Газовый состав биосферы – чисто земное явление – продукт биосферы, определяемый фотосинтезом и дыханием организмов в масштабе планеты.

Террабиосфера – почвы – продукт биосферы – результат взаимодействия живых организмов и горных пород. 99% верхних слоёв литосферы трансформировано (переработано) живыми организмами.

Биосфера – это геооболочка не только охваченная жизнью, но и созданная, структурно организованная, построенная жизнью

Биосфера – структурная организация, имеющая динамическое равновесие. Т.е. это не случайное образование из разнородных элементов, а единое и связное целое, образовавшееся в результате длительной эволюции.

Биосфера – единственное место обитания живого, в том числе и человека. Это единственная система обеспечивающая устойчивость среды обитания при возникающих возмущениях.

Экосистема. Формула любой экосистемы:

Биоценоз

Биотоп

Экосистема

= +

Основные типы природных экосистем представлены схемой:

ЭКОСИСТЕМЫ

Наземные

Морские

Пресноводные

Тундра

Лотические

(текущие воды)

реки, ручьи и т.п.

Открытый океан

Тайга

Прибрежн. воды

Листв. леса

Лентические

(стоячие воды)

озёра, пруды и т.п.

Рыбопродуктивные районы

Степи

Эстуарии (бухты, лиманы, устья рек)

Пустыни

Саванны

Заболочен. угодья:

болота, болотистые леса

Тропич. леса

Глубоководные

зоны

Состав биоценоза экосистемы и анализ её составляющих:

Биоценоз

Автотрофы

(продуценты)

Гетеротрофы

(консументы)

Редуценты

(деструкторы)

Взаимодействие этих трёх групп организмов обеспечивает биологический круговорот веществ в биосфере. В его основе лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Автотрофы из неорганики синтезируют органику (уравнение фотосинтеза), а гетеротрофы и, особенно, редуценты превращают органику вновь в неорганику – разворачивают уравнение фотосинтеза в обратную сторону.

Функционирование экосистемы в самом общем виде может быть представлено следующей схемой:

Развитие экосистем во времени называется экологической сукцессией. Это последовательная смена биоценозов, преёмственно возникающих на одной и той же территории под воздействием природных или антропогенных факторов.

Сукцессия характеризуется соотношением продукции органического вещества П, генерируемого биоценозом, и скорости дыхания Д, характеризующим процесс потребления экосистемой энергии, возникающей вследствие разложения органических веществ и необходимой для жизнедеятельности организмов. При П больше Д сукцессия называется автотрофной, при П меньше Д гетеротрофной. Экосистема стремится к состоянию, когда П=Д. Такое состояние является стабилизированным и называется климаксом.

Энергия в экосистемах. Первичная продукция на Земле создаётся при поглощении солнечной энергии клетками зелёных растений в процессе фотосинтеза. Суть фотосинтеза состоит в том, что происходит увеличение свободной энергии в органическом веществе за счёт преобразования энергии фотона солнечного света (hv) в энергию химических связей органического вещества (см. ур-е фотосинтеза). Произведённая растениями биомасса потребляется травоядными животными, а они в свою очередь плотоядными. Т.о. в экосистеме образуется цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим, или так называемая трофическая цепь, а с учётом многообразия видов в каждом звене цепи – трофическая сеть. Примеры трофических сетей. В водных экосистемах: фитопланктон – зоопланктон – мелкие рачки – мальки рыб – мелкая рыба – более крупные хищники – крупные хищные рыбы – рыбоядные птицы. Сухопутные экосистемы. Растения – травоядные – хищники 1-го порядка – хищники 2-го порядка – 3-го… и т.д. В экосистемах организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню.

Доля световой энергии, преобразованной зелёными растениями в потенциальную энергию их биомассы, составляет около 1%. На каждом последующем уровне действует правило 10%, т.е. в биомассу (энергию) преобразуется только 10% потреблённой на предыдущем уровне биомассы. Это можно представить как:

Е = Ес _* 0,01 _* 0,1 _* 0,1 … ,

где Е – энергия очередного уровня; Ес – солнечная энергия в начале цепи.

Отсюда очевидная невозможность большого количества трофических уровней, т.к. на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает и на существование популяций следующего уровня энергии окажется недостаточно. Обычно наблюдается не более шести-семи уровней.

В целом же, в объёме экосистемы количественные соотношения продукции на уровнях трофической цепи приводят к понятию экологических пирамид. Графически они изображаются в виде поставленных друг на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих уровнях. Экологические пирамиды демонстрируют важнейшую экологическую идею: человечество может существовать только в биосфере, которая значительно превосходит его по мощности потребляемой энергии, производимой биомассы и численности.

Экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями. Все экологические факторы можно разделить на факторы косной природы (абиотические, абиогенные) и факторы живой природы (биотические, биогенные). Совокупность факторов косной природы представляет собой биотоп.

В общем виде на рисунке показаны зоны действия экологического фактора и теоретическая зависимость жизнедеятельности организма, популяции или сообщества от количественного значения фактора.

Жизнедеятельность

Оптимум

Пессимум Пессимум

Эк. min Эк. max

Количественный диапазон фактора, наиболее благоприятный для жизнедеятельности, называется экологическим оптимумом. Значения фактора, лежащие в зоне угнетения, называются экологическим пессимумом. Минимальное и максимальное значения фактора, при которых наступает гибель, называются соответственно экологическим минимумом и экологическим максимумом.

Экологическая ниша организма – это совокупность всех его требований к условиям среды (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются.

Лимитирующий фактор – любой экологический фактор, приближающийся к экологическому минимуму или максимуму или превышающий их.

Методы изучения экосистем. Натурные наблюдения. Эксперимент. Моделирование.