У видов со сложной возрастной структурой популяций одновременно живут несколько поколений.

Например, в стажах слонов имеются молодые, зрелые и стареющие животные.

Популяции, включающие много генераций (разных возрастных групп) более устойчивы, менее подвержены влиянию факторов, воздействующих на размножение или смертность в конкретном году. Экстремальные условия могут привести к гибели наиболее уязвимых возрастных групп, но самые устойчивые выживают и дают новые генерации.

Например, человек рассматривается как биологический вид, имеющий сложную возрастную структуру. Устойчивость популяций вида проявилось, например, во время второй мировой войны.

Теория r/K-отбора — экологическая теория, определяющая две различные природные стратегии размножения живых организмов, при определённых обстоятельствах обеспечивающие оптимальную численность для данного вида.

Согласно теории, естественный отбор в процессе эволюции происходит по одному из двух возможных сценариев, или стратегий. Эти стратегии названы r и K.

В нестабильной окружающей среде преобладает r-стратегия, так как в этом случае ключевую роль играет способность быстрого размножения, а адаптационные механизмы, позволяющие конкурировать с другими организмами, ввиду быстро изменяющихся условий не столь важны. Характерными чертами r-стратегии являются высокая плодовитость, небольшие размеры, относительно короткое время жизни поколения и способность быстрого и широкого распространения. Среди организмов, выбравших r-стратегию, встречаются бактерии и диатомовые водоросли, насекомые и травянистые растения, а также головоногие и некоторые млекопитающие (особенно небольшие грызуны).

Если окружающая среда более-менее постоянная, то в ней преобладают организмы с K-стратегией, так как в этом случае на первое место выходит способность успешно конкурировать с другими организмами в условиях ограниченных ресурсов. Характерными чертами K-стратегии являются большие размеры, относительно долгий промежуток жизни и малое потомство, на воспитание которого отводится значительная часть времени. Типичными K-стратегами являются крупные животные — слоны, бегемоты, киты, а также человекообразные обезьяны и человек.

Экологическая ниша – совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе.

Экологические ниши существуют по определенным правилам:

· чем шире требования (пределы толерантности) вида к любому или многим экологическим факторам, тем больше то пространство, которое он может занимать в природе, а значит, тем шире его распространение;

· если режим любого, хотя бы одного экологического фактора в месте обитания особей одного вида изменился таким образом, что его значения выходят за пределы ниши, то это означает разрушение ниши, т. е ограничение или невозможность сохранения вида в данном месте обитания. С понятием «экологическая ниша» связаны и другие важные закономерности — каждый вид имеет свою, только ему присущую экологическую нишу, т. е. сколько на Земле видов, столько и экологических ниш (2,2 млн видов живых организмов, из них 1,7 млн видов животных). Два разных вида (даже очень близких) не могут занимать одну экологическую нишу в пространстве;

· в каждой экосистеме имеются виды, которые претендуют на одну и ту же нишу или ее элементы (пищу, укрытия). В таком случае неизбежна конкуренция, борьба за обладание нишей. Подобные отношения отражает правило Гаузе: если два вида со сходными требованиями к среде (питанию, поведению, местам размножения) вступают в конкурентные отношения, то один из них должен погибнуть либо изменить свой образ жизни и занять новую экологическую нишу.

12. Экосистема как основная функциональная единица биосферы. Структура и функции биосферы.

Экосистема – это совокупность всех живых организмов, проживающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой.

Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические вещества, составляющие все живое на планете. Процесс создания органического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения. Совокупность этих процессов протекает в рамках экосистем различных уровней иерархии. Чтобы эти процессы были уравновешены, природа за миллиарды лет отработала определенную структуру живого вещества системы.

Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6.
Кинетическая энергия солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами - образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.
Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками. Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами. Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете. Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источник вещества и энергии для своеймогут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае обычных консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п. Наконец, значительная часть детрита в экосистеме, в частности опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе питания ими грибов и бактерий. Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду. Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.

Все организмы Земли и среда их обитания также представляют собой экосистему высшего ранга - биосферу. Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности.

Атмосфера. Газовая оболочка Земли состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для процессов жизнедеятельности особенно важны: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода,используемый зелеными растениями в фотосинтезе; озон, создающий экран, защищающий земную поверхность от ультрафиолетового излучения. Атмосфера образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности, кислород появился значительно позднее как продукт фотосинтеза.

Гидросфера. Вода – важный компонент биосферы и необходимое условие существования живых организмов. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием геологических процессов в литосфере, при которых выделялось большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов литосферы находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва состоит из неорганических веществ (песок, глина, минеральные соли), образующихся при разрушении горных пород, и органических веществ – продуктов жизнедеятельности организмов.

Данные современной науки позволяют выделить пять основных функций биосферы: энергетическую, газовую, концентрационную, деструктивную, средообразующую.

Энергетическая функция выполняется за счет аккумулирования зелеными растениями солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Одна часть этой энергии перераспределяется между остальными компонентами биосферы, другая накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, нефти), а третья часть рассеивается.

Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение.

Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником как полезных (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья веществ (тяжелых металлов, радиоактивных элементов, ядохимикатов).

Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение ее в косное вещество.

Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Она обеспечивает газовый состав атмосферы, состав осадочных пород литосферы и химический состав гидросферы, баланс веществ и энергии в биосфере, восстановление нарушенных человеком условий обитания.

13. Понятие о биогеоценозе. Биотоп, биоценоз.

Биогеоценоз - представляет собой внутренне однородную пространственно ограниченную (обособленную) природную систему взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды.

Этот термин был введен в 1942 г. известным русским (советским) ученым – биологом В.Н. Сукачевым. Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы: биоценоза и биотопа.

Термин биоценоз был введен немецким биологом К. Мебиусом и означает совокупность живых организмов (животных, растений, микроорганизмов), существующих на относительно однородном по условиям жизни участке среды обитания.

Биоценоз представляет сложную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга:

· фитоценоза – сообщества растительных организмов;

· зооценоза – биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде;

· микробиоценоза (или микробоценоза) – сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др), живущих в почве, в воздушной и водной средах.

Биотопом (или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфологичеким, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом.

Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы:

o атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы (кислород и углекислый газ) и характеризуемой такими свойствами, как температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.;

o почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами.

Общая характеристика биогеоценоза. Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций автотрофных и гетеротрофных организмов.

Следовательно, биогеоценоз – это совокупность разных видов живых организмов (биоценоз), сосуществующих в пределах пространственно ограниченного и однородного по своим абиотическим свойствам участка территории (биотопа) и взаимодействующих как друг с другом, так и с биотопом.

Можно говорить о биогеоценозе березовой рощи, луга и т.п., но нельзя называть биогеоценозом сообщество бактерий в капле росы на травинке. Каждый природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающую способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой.

Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза. Основу биогеоценоза составляют зеленые растения, которые, как известно, являются производителями органического вещества. Так как в биогеоценозе обязательно присутствуют растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество, то нетрудно догадаться, почему растения являются главным звеном в биогеоценозе: ясно, что если растения – главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически прекратится.

Круговорот веществ в биогеоценозе. Круговорот веществ – одно из необходимых условий существования жизни. Он возник в процессе становления жизни на Земле и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Без круговорота веществ в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, так как они перестали бы возобновляться в процессе жизнедеятельности организмов.

Чтобы был возможен круговорот веществ в биогеоценозе, необходимо наличие в нем трех типов организмов:

o создающих органические вещества из неорганических (продуценты – растения, бактерии); использующих для обеспечения своей жизнедеятельности эти органические вещества (консументы – животные, растения-хищники);

o снова превращающих их в неорганические соединения (редуценты – одноклеточные грибы).

В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться растениями в процессе фотосинтеза. Следовательно, кардинальную роль в круговороте веществ в биогеоценозе играют растения, использующие и запасающие преобразованную солнечную энергию.

Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Источником энергии, необходимой для создания круговорота веществ в биогеоценозе, является Солнце. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, оно может быть использовано многократно, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Поэтому неправомерно отождествлять круговорот вещества в биогеоценозе с круговоротом энергии.

 

14. Формы взаимоотношений организмов в природе. Эволюционная и экологическая роль конкурентных отношений.

Биотические факторы – это все виды взаимоотношений между живыми организмами.

Среди огромного разнообразия взаимосвязей организмов выделяют определенные типы, имеющие много общего у организмов разных систематических групп - это:

ü нейтрализм;

ü симбиоз;

ü антибиоз.

Симбиоз – это форма взаимоотношений, при которой оба вида или один из них, извлекает пользу от другого.

Положительные виды взаимодействия представлены в природе разнообразными формами:

§ Комменсализм – тип взаимоотношений, при котором один вид получает преимущество, не принося вреда другому.

Выделяют несколько видов комменсализма:

Ø Нахлебничество – потребление остатков пищи хозяина.

Ø Сотрапезничество – потребление одной и той же пищи разными видами.

Ø Квартиранство – это использование одним видом других видов в качестве убежища.

Ø Протокооперация – это взаимоотношения, при которых присутствие обоих видов не всегда обязательно (напр. деревья и грибы)

Ø Мутуализм – это взаимоотношения, при которых сожительство разных видов обязательно необходимо для обоих (напр. лишайники – сожительство гриба и водоросли). Это наиболее сильная связь между организмами.

Нейтрализм – это форма отношений, при которой организмы не влияют друг на друга. При нейтрализме особи разных видов не связаны друг с другом непосредственно. Например, белки и лоси в одном лесу не контактируют друг с другом.

Антибиоз – это взаимоотношения, при которых один или оба вида испытывают угнетение.

§ Хищничество – это отношения, в результате которых один вид погибает.

§ Каннибализм – это поедание себе подобных, частный пример хищничества.

§ Паразитизм – отношения, при которых представители одного вида используют представителей другого вида не только как место обитания, но и как источник питания. Переход к паразитизму резко увеличивает возможности вида выжить в борьбе за существование. Паразит сразу не убивает хозяина, т.к. за счёт него живёт. Тело хозяина создает для паразита благоприятный и ровный микроклимат:

Ø Временные паразиты (комары, блохи).

Ø Постоянные паразиты длительное время используют своего хозяина (гельминты).

Промежуточный хозяин – это организм, в теле которого временно находится яйцо или личинка паразита.

§ Конкуренция – это взаимоотношения, при котором оба вида испытывают угнетение. Этот тип взаимодействия наступает, если у двух близких видов одинаковые потребности. Формы конкурентного взаимодействия могут быть самыми разными - от прямой физической борьбы до мирного совместного существования. Ч.Дарвин считал конкуренцию одной из составных частей борьбы за существование.

Внутривидовая конкуренция — соперничество за одни и те же ресурсы, происходящее между особями одного вида. Это важный фактор саморегулирования популяции.

Примеры: Птицы одного вида конкурируют за места гнездования. Самцы многих видов млекопитающих (например, оленей) в период размножения вступают друг с другом в борьбу за возможность обзавестись семьей.

Межвидовая конкуренция — соперничество за одни и те же ресурсы, происходящее между особями разных видов. Примеры межвидовой конкуренции многочисленны. И волки, и лисы охотятся на зайцев, поэтому между этими хищниками возникает конкуренция за пищу. Это не значит, что они непосредственно вступают в борьбу друг с другом, но успех одного означает неуспех другого.

 

15. Учение В. И Вернадского о биосфере. Структура и функции биосферы. Роль живого вещества. Эволюция биосферы.

Учение В.И. Вернадского о биосфере представляет собой обобщение естественнонаучных знаний, оно вобрало в себя эволюционные взгляды Ч. Дарвина, периодический закон Д.И. Менделеева, теорию единства пространства и времени А. Энштейна, идеи о неразрывной связи живой и неживой природы многих отечественных и зарубежных ученых.

В работах В.И. Вернадского рассматриваются компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества, эволюция биосферы.

Ученый впервые показал, что живая и неживая природа Земли тесно взаимодействуют и составляют единую систему.

Структура биосферы. В биосфере можно выделить следующие основные компоненты: живое вещество, косное (неживое) вещество, неживое биогенное вещество, биокосное вещество.

Живым веществом В.И. Вернадский назвал совокупность живых организмов, населяющих нашу планету. Это главная сила, преобразующая поверхность планеты, основа формирования и существования самой биосферы. Во все геологические эпохи живое вещество, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры, было мощной геохимической силой, формирующей лик Земли.

Живое вещество имеет количественные характеристики, его можно изучать, используя математические законы. Количество живого вещества в биосфере (биомасса) - величина постоянная или мало изменяющаяся с течением времени. Во все геологические эпохи на Земле количество живого вещества было практически одинаковым. Ученый подчеркивал, что современное живое вещество генетически родственно живому веществу прошлых геологических эпох.

Под косным веществом В.И. Вернадский понимал такие вещества биосферы, в создании которых живые организмы не участвуют. Это, например, газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами.

Неживое биогенное вещество образовано живым веществом современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил - сапропель, осадочные породы, например, известняки)

Биокосное вещество создавалось одновременно и живыми организмами и косным веществом (например, почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы).

Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли, что определяется наличием условий существования жизни (благоприятный температурный режим, уровень радиации, достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа).

Биосфера охватывает всю поверхность суши, а также океаны, моря и ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные в процессе жизнедеятельности живых организмов. Иначе говоря, биосфера - это часть литосферы, атмосферы, гидросферы, заселенная живым веществом.

Для существования живых организмов необходимы следующие условия: достаточное количество воды, минеральных веществ, О2, СО2, оптимальный температурный режим, уровень радиации и др.

Верхняя граница биосферы определяется озоновым экраном, представляющим собой тонкий слой (2-4 мм) газа озона (О3). Роль озонового слоя в биосфере велика: он задерживает губительные для живого ультрафиолетовые лучи солнечного света. Этот слой расположен на высотах 16 - 20 км.

Нижняя граница биосферы неровная. К примеру, в литосфере живые организмы или продукты их жизнедеятельности можно встретить на глубине 3,5-7,5 км, а в Мировом океане организмы - на глубине 10 - 11 км. Нижняя граница на суше связана с областями "былых биосфер" - так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосфер прошлых геологических эпох (накопления осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.). "Былые биосферы" служат доказательством длительной эволюции биосферы Земли.

Ученый отмечал, что живое вещество распределено в биосфере неравномерно. Основная его масса сконцентрирована в приповерхностном слое суши толщиной 50-100 м и в приповерхностной толще воды (10-20 м). Здесь находится более 90% биомассы Земли. Но и в приповерхностном слое имеются пространства, густо заселенные живыми организмами (тропики и субтропики, теплые моря), и менее заселенные территории (пустыни, высокогорья, арктические и антарктические области). Для остальных территорий биосферы характерно, по словам В.И. Вернадского, "разрежение живого вещества".

Тем не менее, в пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях обитания можно найти бактерии и другие микроорганизмы. В.И. Вернадский высказал идею о "всюдности жизни", живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу.

Функции живого вещества. Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование.