Тема 3. Биота. Экосистемы и экосфера

Основы биологической организации. Уровни организации, единство и разнообразие живых систем, их термодинамика.

Популяции: понятие, структура, размер и динамика численности – устойчивость и жизнеспособность.

Экосистемы: определение понятия, классификация видов экосистем, состав и функциональная структура, основной процесс в экосистеме, пищевые сети и трофические уровни, потоки вещества и энергии, стабильность и развитие экосистем, биомы.

Биосфера и экосфера: понятия, биомасса и продуктивность экосферы, ее основные функции, поток энергии в экосфере, правило 10%, правило 1%, биологический круговорот вещества. Эволюция экосферы: движущая сила и этапы эволюции экосферы.

Литература: [1].

Методические указания

Материал данной темы следует рассматривать как биологическую основу (важную составляющую часть) современной экологии. Приступая к его изучению, следует усвоить определения основных понятий, и прежде всего, понятия “биота”. Это понятие в современной экологии трактуется как совокупность всех живых организмов в каком-либо пространстве, независимо от размеров последнего. В соответствии с системным подходом в экологии живой материальной динамической системой считается такая, в которой происходит восприятие, перенос и преобразование вещества, энергии и молекулярной информации с целью самосохранения. Под молекулярной информацией подразумевается совокупность сигналов, передаваемых специфическими молекулами. Следует обратить внимание на необходимые условия восприятия, преобразования сигналов и соответствующего реагирования живой динамической системы, такие как: структура системы; запас энергии; наличие ферментов (катализаторов), генетической и сигнальной памяти, свойства комплиментарности. Важнейшее значение в живых системах имеют процессы метаболизма (обмена веществ), способность к самовоспроизведению и размножению, наследственность и мутации, в совокупности определяющие процесс биологической эволюции.

Рассматривая шесть уровней биологической организации живой материи, необходимо обратить особое внимание на экосистемный и биосферный (экосферный) уровни, на которых с особенной полнотой обнаруживаются естественные проявления жизни. Желательно запомнить наименование шести биогенных элементов (C,O,H,N,S,P), усвоить смысл закона В.И.Вернадского о физико-химическом единстве живого вещества, иметь представление о законах термодинамики (закон сохранения энергии, закон энтропии) применительно к биоэкологии. Рассматривая популяционный уровень биологической организации живой материи, нужно прежде всего усвоить понятие популяции, а затем приступить к ознакомлению с её структурой (в том числе половой, возрастной, генетической, пространственной, экологической). Важное значение в экологии имеют такие свойства популяций, как размер и динамика их численности, потенциальная способность к размножению, устойчивость и жизнеспособность. Следует обратить внимание на основные факторы, определяющие устойчивость (длительность существования) природных популяций, такие как связь между популяциями одного вида, сохранение совокупности экологических условий и эффективной численности популяций.

Приступая к изучению экосистемного уровня организации биоты, необходимо не только усвоить определение понятия экосистемы и уметь приводить примеры экосистем, но и твердо запомнить, что они являются основным объектом экологии. Важно понять, из каких компонентов состоит экосистема, каково значение каждого компонента, каковы связи между ними. Следует обратить особое внимание на роль автотрофов (продуцентов), детритофагов и редуцентов в любой экосистеме. Нужно также иметь представление об основном химическом процессе в экосистеме, о пищевых сетях и трофических уровнях, о необратимом потоке энергии в экосистеме. Рассматривая вопросы развития экосистем, следует уяснить такие понятия, как климакс, сукцессия, гомеостаз экосистемы.

Изучая биосферный (экосферный) уровень организации биоты, следует обратить внимание на практическое совпадение понятий «биосфера» (совокупность частей геосфер, т.е. атмосферы, литосферы и гидросферы Земли, заселенные живыми организмами) и «экосфера» (совокупность биомов,т.е. всех экосистем во всех природно-климатических зонах Земли). Необходимо отметить роль В.И.Вернадского, его биогеохимических принципов в учении о биосфере, о ее вещественном составе, а также о значении размера биомассы и продуктивности экосферы, ее функций (газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной, информационной) для биотической регуляции природной среды. Определенные особенности имеет поток энергии в экосфере, где действуют так называемые “правило 10%” и “правило 1%”, являющиеся важным условием стабильности экосферы.

Как установлено в экологии, синтез и распад органических веществ в экосфере вызывает биогеохимический круговорот, в который вовлечены не только шесть биогенных элементов, но и множество различных минеральных веществ, а также соединений, обусловленных жизнедеятельностью живых существ. При этом глобальная замкнутость этого круговорота имеет важнейшее значение для равновесия в экосфере. Замкнутость биотического круговорота и биологическая регуляция окружающей среды рассматриваются как результат эволюции экосферы. Сама эта эволюция подразделяется на несколько этапов до биотического и биотического периодов и отличается от эволюции организмов. Источником движущей силы эволюции экосферы является поток энергии и отбор наиболее эффективных преобразователей энергии, а её двигателем – непрерывное противоречие между неограниченной способностью организмов к размножению и ограниченностью материальных ресурсов. Эволюция организмов основана на свойствах их самовоспроизведения, наследственности и изменчивости, причём критерием закрепления изменений является способствование их размножению. Важное значение в эволюции организмов имеют законы её необратимости и наследуемости приобретенных признаков, а также правила прерывистого равновесия и ускорения эволюции.

Контрольные вопросы

1. Каковы главные свойства живой материальной системы?

2. В чем сущность первого и второго начал термодинамики применительно к экологии?

3. Какие факторы определяют структуру, численность и жизнеспособность популяции?

4. Каков состав и функциональная структура экосистемы?

5. Что такое пищевые сети и трофические уровни экосистемы? Каковы этапы развития экосистем?

6. Что такое экосфера? Каковы ее биомасса и продуктивность?

7. Что такое биотический круговорот?

8. Каковы этапы и закономерности эволюции экосферы?