Выводы:

Все перечисленные формы биологических связей между видами служат регуляторами численности животных и растений в биоценозе, определяя степень его устойчивости; при этом чем богаче видовой состав биоценоза, тем устойчивее сообщество в целом.. Жизнь любого живого существа невозможна без других. Его благополучие зависит от многих видов, которые так или иначе на него воздействуют.

Связи между разными организмами называют биотическими. Вся живая природа пронизана этими связями. Различают разные типы отношений между организмами. Эти взаимоотношения сложились в процессе эволюции и являются основным биологическим механизмом, в котором существует тесная взаимосвязь между всеми организмами, и вместе с тем происходит постоянная борьба за существование. В результате сложности и переплетенности связей между видами неосторожное вмешательство человека в жизнь природы может вызвать цепную реакцию событий, которые приведут к неожиданным и нежелательным последствиям.

Контрольные вопросы

1.В чем состоят отрицательные взаимодействия между видами?

2. В чем состоят положительные взаимодействия между видами?

3. Какие формы биотических взаимоотношении вы знаете?

4. Почему человек должен установить мутуалистические отношения с природой?

5. Как называют совокупность влиянии жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других?

6. Каковы характерные особенности симбиотических отношений по сравнению с другими их видами?

7. Приведите примеры комменсализма и аменсализма.

Методические рекомендации

При изучении этой темы преподаватель особо подчеркивает, что все типы биотических взаимоотношений являются основой сложной системы, которая называется жизнью на Земле. В связи с тем, что вопросы рассматриваемые в данной теме являются сложными для правильного понимания биотических взаимоотношении необходимо на всех самостоятельных занятиях приводить больше конкретных примеров, показывающих эти взаимоотношения. Для лучшего закрепления понятий основных типов взаимоотношении каждый студент должен проработать предложенные материалы, найти дополнительные примеры, соответствующие к данным типам взаимоотношении.

Лекция № - 7 Экосистема

Цель лекции: познакомить студентов с обязательными компонентами экосистемы, формировать понятия о трофической структуре, продуктивности экосистем и экологических сукцессиях.

План лекции:

1. Концепция экосистемы

2. Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни

3. Продуктивность экосистем

4. Трофическая структура экосистемы

5. Экологические сукцессии

Основные понятия по теме: экосистема, потоки вещества и энергии, биологический круговорот веществ, биогенные элементы, продуценты, консументы, редуценты, пищевая цепь, трофические уровни агроэкосистемы, сукцессия, пирамиды чисел, биомасса энергий.

В биоценозах живые организмы теснейшим образом связаны не только друг с другом, но и неживой природой. Связь эта выражается через вещество и энергию. Поступление пищи воды, кислорода в живые организмы – это потоки вещества из окружающей среды. Пища содержат энергию, необходимую для работы клеток и органов. Растения напрямую усваивают энергию солнечного света, запасают ее в химических связях органических соединений, а затем она перераспределяется через пищевые отношения в биоценозах.

При интенсивных процессах потоков вещества из неорганической природы в живые тела запасы необходимых для жизни соединений – биогенных элементов – давно были бы исчерпаны на Земле. Однако жизнь не прекращается, потому что биогенные элементы постоянно возвращаются в окружающую организмы среду. Происходит это в биоценозах, где в результате пищевых отношений между видами синтезированные растениями органические вещества разрушаются в конце концов вновь до таких соединений, которые могут быть снова использованы растениями. Так возникает биологический круговорот вещества.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества, называют экологической системой. Природные экосистемы могут быть разного объема и протяженности: небольшая лужа с ее обитателями, труд, океан, луг, роща, тайга, степь – все это примеры разномасштабные экосистем. Любая экосистема включает живую часть – биоценоз и его физическое окружение. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части:

1. запасы биогенных элементов

2. продуценты

3. консументы

4. редуценты

Продуценты – это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т.е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии. Консументы – потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументов первого порядка – растительные виды и второго порядка – плотоядных животных. Редуценты – организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие виды, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных.

Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд лет, не прерываясь именно потому, что она протекает в системе биологических круговоротов вещества. Потоки энергии и вещества в экологии как перенос, перемещение передача энергии и вещества извне к автотрофам и далее по цепям питания от организмов одного трофического уровня к следующему. Потоки энергии в сообществе – это ее переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений. Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее через химические реакции сходящие без участия живых организмов вновь к продуцентам; поток веществ происходит по замкнутому циклу, по этому называется круговоротом веществ.

Пищевой цепью называется перенос энергии, заключенной в растительной пище – поскольку лишь растения создают органическое вещество из неорганического – через ряд организмов в процессе их поедания друг другом.

Организмы, получающие свою энергию от Солнце через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню (от греч. trophe – питание, пища), т.е. это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Зеленые растения (автотрофы) занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные второй (уровень первичных консументов) первичные хищники, поедающих травоядных, - третий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов.

Различают два типа пищевых цепей: пастбищная и детритная.

Пастбищная цепь: зеленое растение → растительноядное животное → хищник.

Детритная цепь: мертвое органическое вещество→ микроорганизмы (бактерии, грибы)→ мелкие животные (детритофаги) →хищник детритофагов

Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в следующем. Каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги (от греч. poly –много), пользуются не одним, а несколькими источниками питания.

Важным свойствам сообществ является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы. Это свойство лежит в основе понятия продуктивности системы. Скорость создания органического вещества в экосистемах называется биологической продукцией. Масса тел живых организмов называется биомассой. Таким образом, биологическая продукция экосистем – это скорость создания в них биомассы. Энергия поступает в биотический компонент экосистемы через продуцентов. Первичной продукцией называют скорость образования биомассы первичными продуцентами. Это важный параметр, так как им определяется общей поток энергии через биотический компонент экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать в экосистеме. Из 100% солнечной энергии лишь приблизительно 1% поглощается хлорофиллом и используется для синтеза органических молекул (остальные 99% солнечной энергии отражаются, поглощаются с переходом в тепло или расходуются не испарения воды).

Скорость, с которой растения накапливают энергии., называется валовой первичной продукцией (ВПП). Примерно 20% этой энергии расходуется растениями на дыхание и другие процессы жизнедеятельности (R). Скорость накопления органического вещества за вычетом расхода энергии на дыхание и другие процессы жизнедеятельности (R) называется чистой первичной продукцией (ЧПП):

ЧПП = BNN – R

В приведенном примере ЧПП составляет 8000 кДж/м² х год, т.е. 0,8% от полученной солнечной энергии.

Для поедания одних организмов другими пища переходит с одного трофического уровня на следующий. Непереваренная часть пищи выводится животными с экскрементами. Животные, как и растения, теряют часть энергии при дыхании и других процессах жизнедеятельности. Энергия, оставшаяся после потерь, связанных с процессами дыхания, пищеварение и экскреции, идет на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение.

Скорость накопление органического вещества гетеротрофными организмами называется вторичной продукцией (ВП). Вторичная продукция существует на всех трофических уровнях.

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом:

Потребленная пища = рост + дыхание и другие процессы жизнедеятельности + экскременты или P = N + R + H, где Р – рацион консумента, т.е. количество пищи, съедаемой им за определенный промежуток времени, выраженное в единицах энергии; П – энергия, затрачиваемая на рост организма; R – энергия, затрачиваемая на дыхание и другие процессы жизнедеятельности; Н – энергия неусвоенной пищи, выделенной в виде экскрементов.

В каждом звене пищевой цепи часть энергии переходит в другие формы. По ориентировочным подсчетам, эти потери составляют 90% при каждом акте передачи энергии через трофическую цепь. Следовательно, если первичная продукция растительного организма составляет 1000 Дж, при полном поедании его травоядным животным в теле последнего останется из этой порции всего 100 Дж, в теле хищника – лишь 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю придется только 1 Дж (правило 10%). Таким образом, запас энергии, накопленной зелеными растениями, в цепях питания стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5 звеньев.

Энергия же, заключенная в экскрементах, передается детритофагам и редуцентам и таким образом не теряется для экосистемы. В результате взаимодействия в пищевых цепях при переносе энергии каждое сообщество приобретает определенную трофическую структуру. В общем случае трофическую структуру можно определить количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени на последовательных трофических уровнях, и изобразить графически в виде экологических пирамид, основанием которых служит первый уровень, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Данное явление было изучено Ч.Элтоном в 1927г.

Различают три типа основных экологических пирамид.

Пирамида чисел (число особей / м²) отражает численность организмов на разных трофических уровнях. В случае пастбищных пищевых цепей леса, когда продуцентом служит дерево, а первичными консументами – насекомые, уровень первичных консументов численно богаче особями уровня продуцентов. В этом случае пирамиду чисел называют обращенной.

Пирамида биомасс характеризует общую сухую массу живого вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органических веществ г / м²). В экосистемах с очень мелкими продуцентами и крупными консументами общая масса последних может быть в любой момент выше общей массы продуцентов, т.е. пирамида биомасс тоже может быть обращенной.

Пирамида энергий (дж / м². год) показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях. Энергетическая пирамида всегда сужается кверху при условии, что учтены все источники энергии поступающей в систему с пищей.

Из трех типов экологических пирамид пирамида энергий дает наиболее полное представление о функциональной организации сообщества. Число и масса организмов, которых может поддерживать какой-либо трофический уровень в тех или иных условиях, зависит не от количество фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. В противоположность пирамидам чисел и биомасс, отражающим статику системы, пирамида энергий отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь. Закон пирамиды энергий: согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10% энергии.

Этот закон, сформулированный в 1942г Р.Линдеманом, называют законом Линдемана. Его следствием является ограниченная длина пищевых цепей. Из закона вытекает очень важное правило, заключающееся в том, что максимальный переход с одного трофического уровня на другой порядка 10% энергии не ведет к пагубным для экосистемы последствиям. Использование правила 10% позволяет определять возможный и безопасный объем промысла особей.

Структура сообщества создается постепенно в течение определенного времени. Примером, который можно использовать как модель развития сообщества, служит заселение организмами обнаженной горной породы. Растения не могут расти на голой породе, так как здесь нет необходимой для них почвы. Однако водоросли, попадая на такие территории, заселяют их, образуя пионерские сообщества. Постепенное накопление отмерших и разлагающихся организмов и эрозия горной породы в результате выветривание приводят к формированию слоя почвы, достаточного для того, чтобы здесь смогли поселиться более крупные растении, такие, как мхи и папоротники. В конце концов за этими растениями следуют еще более крупные растения. Такая смена одних биоценозов другими на определенном участке земной поверхности за некоторый период времени называется сукцессией (от лат. succesio – преемственность, наследование, последовательность, смена). Термин «сукцессия» предложен Т.Каулсоном в 1898г. Завершающее сообщество – устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии со средой – называется климаксным. Климакс (от греч. кlimax – лестница) – стабильное, конечное состояние развитие экосистемы в условиях данной среды. Термин «климакс» введен Ф.Клементсом в 1916 году. Тип сукцессии, начинающейся с заселения обнаженной горной породы или другой поверхности лишенной почвы, ледника (например, песчаных дюн или бывшего ложа ледника), называется первичной сукцессией. В отличие от нее вторичной называют сукцессию, начинающуюся там, где поверхность полностью или в значительной степени лишена растительности, но прежде находилась под влиянием живых организмов и содержит органическое вещества. Таковы, например, лесные вырубки, выгоревшие участки или заброшенные сельскохозяйственные угодья. Как при первичной, так и при вторичной сукцессиях, флора и фауна окружающих территорий являются главными факторам, определяющим типы растений и животных, включающихся в сукцессию в результате случайного расселения и миграцией. По представлениям Клементса, в данных климатических условиях может существовать только одно климаксное сообщество, которое называется климаксом.

К типичным наземным климаксным сообществам относятся листопадные леса. Большая часть первичной продукции производится в древесном пологе, наиболее интенсивное размножение идет на уровне земли.

Выводы:

Таким образом, экосистема это любое сообщество живых существ вместе с его физической средой обитание, функционирующее как единое целое. В экосистемах происходит постоянный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты. Вещество и энергия передаются в экосистеме по цепям питания. На каждом звене пищевой цепи задерживается только 10% поступившей энергии. Траты энергии в пищевых цепях отражается в пирамиде биологической продукции.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под экосистемой? Перечислите компоненты экосистемы.

2. Какие трофические системы являются проводниками энергетических потоков в экосистемах.

3. Какое экологическое значение имеют продуцирование и размножение в природе?

4. Что такое продуктивность экосистемы и уровни продуцирования?

5. Что такое биомасса экосистемы и каковы экологические последствия ее нестабильности?

6. Что такое сукцессия и причины ее возникновения? В чем сущность первичной и вторичной сукцессии?

7. Что понимается под сукцессионной серией и как возникает климаксное сообщество?

8. Каковы последствия антропогенной эвтрофикации водоемов?

Методические рекомендации к лекции

Центральное место в теме занимают вопросы о надорганизменных системах, поэтому усвоению знаний этих систем уделяется главное внимание. В процессе изучения темы студенты должны хорошо знать определение и характеристику экосистем, круговорот веществ и поток энергии в экосистеме, как основы ее существования, пищевые связи, лежащие в основе потока вещества и энергии от одного вида к другому. Ознакомление с круговоротом веществ дает возможность определить составные компоненты, общие для любой экосистемы, ее структуру. Преподаватель предлагает назвать виды растений, животных, грибов, обитающих в лесу, и определить роль каждого царства в экосистеме. Анализ роли растений, грибов бактерий и животных в экосистеме позволяет студентам сделать вывод, что для существования экосистемы необходим круговорот веществ, который происходит при наличии растений, производителей органического вещества, животных, потребителей органического вещества, и организмов – разрушителей органического вещества. От круговорота веществ логичен переход к рассмотрению пищевых связей, которые отображают реальный путь круговорота веществ, конкретизируют это понятие. Преподаватель просит студентов рассмотреть таблицу с изображением экосистемы, составить пищевую цепь любой хорошо им известной экосистемы.

Для закрепления знаний экологической закономерности студенты получают задание: рассмотреть на таблице экосистему любого водоема, составить пищевую цепь (студенты получают разные варианты), выявить направление потока вещества и энергии в ней, определить примерное соотношение биомассы между звеньями, объяснить, почему цепи короткие. Систематизации знаний способствует сравнение различных экосистем, определение роли экологических факторов в изменении экосистем, в их смене. Важно добиваться понимания целостности и устойчивости экосистем, выявления причин этих свойств.