Уровни биологической организации

КАРАГАНДИНСКИЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Рахимжанова Р.И.

Исабаев А.С.

ЭКОЛОГИЯ

Учебно- практическое пособие для дистанционного обучения студентов всех специальностей

КАРАГАНДА 2003

ВВЕДЕНИЕ

Экология стала для всего человечества не только наукой, но и способом мышления, поведе­ния, реальностью действий. Она стала одной из сторон гуманизма, вклю­чающей в себя понимание единства человека с природой, вы­сокую культуру, интеллект.

Слово "экология" впервые употребил Э. Геккель, обозначив им биологическую науку, изучающую взаимоотношения организмов с окружающей их средой.

В соответствии с принятой сейчас классификацией любое изменение в среде обитания входит в компетенцию экологии. Одной из важнейших задач экологии является оптимизация взаимоот­ношений между человеком, с одной стороны, отдельными видами и попу­ляциями, экосистемами, с другой. Сохране­ние всех видов, популяций и экосистем на нашей планете считается эколо­гически и экономически целесообразным, а концепция по­лезных и вредных—несостоятельна. Оптимизация взаимоотношений че­ловека с природой рассматривается как необходимое условие существо­вания человека с различными взаимоотношениями, которые должны проявляться в мини­мальном ущербе живым организмам и неживой природе. Появление на нашей планеты экологических катастроф говорит о необходимости, по уменьшению выбросов вредных веществ в окружающую среду и ее загрязнения, созданию малоотходных и безот­ходных технологий, охраны природы.

Большое значение имеет экологическое воспитание и образование людей. Многие просто не знают о надви­гающейся беде и тех отрицательных последствиях, которые вызываются загрязнением окружающей среды.

Понятием, созвучным с термином "экология", в боль­шинстве случаев является любое взаимодействие человека и природы или ухудшение качества окружающей среды, вызванное хозяйственной дея­тельностью человека. Экология как наука имеет собственные цели, объекты и методы ис­следования, а также различные направления: общая экология, приклад­ная экология, популяционная экология, аутэкология и др. Существуют два подхода: экосистемный и популяционный. Экосистемный базируется на понятии экосистемы — совокуп­ности организмов и неживых компонентов. При таком подходе экологию рассматривают как науку об системах, и любое изучае­мое явление представляет интерес прежде всего в том, что оно является составной частью экосистемы. Популяционный обращает внимание на популяциях, т. е. совокупностях особей одного вида, населяющих определенное пространство и обитающие в пределах одного биогеоценоза. В отличие от экосистемно­го подхода, популяционный под­ход более склонен к аналитическому объяснению.

В настоящее время бытует представление, что все связанное с загряз­нением окружающей среды и с уменьшением вредного воздействия чело­веческой деятельности на природу является экологией. Основу экологии составляет изучение функционирования особей, популяций, сообщества, человека и их взаи­модействий с окружающей средой при воздействии экологических факто­ров, проявляющихся в физических, химических и биологических измене­ниях. Здесь любые изменения особей, популяций, сообществ, человека яв­ляются своеобразными индикаторами окружающей среды и ее загряз­нения.

Характерной чертой экологии является то, что она яв­ляется междисциплинарной наукой. По мере своего развития и освоения человеком новых дис­циплин экологические знания должны подниматься по спирали вверх.

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИИ

1.1 Что такое экология. Термин "экология" (буквально от греч. oikos — жилище, местопребы­вание, дом и logos— наука) был предложен Эрнстом Геккелем в 1866 г. Это наука, изучающая организацию и функционирование систем различных уровней. В настоящее время современная экология изучает также взаимодействия человека и биосферы, про­изводства с окружающей его природной средой и другие проблемы.

В зависимости от объекта и предмета исследований, экология подразделяется как:

1. Часть биологии, изучающая отношения организмов (особей, попу­ляций, биоценозов и т. п.) между собой и окружающей средой, называется биоэкологией.

2. Дисциплина, изучающая общие законы функциониро­вания экосистем различного уровня.

3. Комплексная наука, исследующая среду обитания живых существ (включая человека).

4. Наука о способах ограничения потребления ресурсов биосферы для удовлетворения нужд хозяйственной дея­тельности человека.

В настоящее время развивается экологизация различных дис­циплин, под которой понимается процесс внедрения систем технологических, управленческих и других реше­ний, позволяющих эффективно использовать природные ресурсы. В связи с этим экология распалась на ряд научных отраслей и дисцип­лин, далеких от первоначального понимания экологии как биоло­гической науки об отношениях живых организмов с окружающей их сре­дой. Но в основе всех современных направлений экологии лежат фунда­ментальные идеи биоэкологии.

Экологию по размерам объектов изучения делят на географическую, объектами изучения которой являются крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и глобальную экологию — учение о биосфере Земли.

По отношению к предметам изучения экологию подразделяют на эко­логию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, сель­скохозяйственную, прикладную, инженерную и т.д.

По средам и компонентам различают экологию суши, водо­емов, морскую, высокогорную, химическую.

По подходам к предмету исследования - аналитическую и ди­намическую экологию.

В системе экологии человека выделяют социальную экологию, изу­чающую взаимоотношения социальных групп общест­ва, так и человека в целом.

1.2 Задачи экологии В зависимости от решаемых задач экологию подразделяют на общую, исследующую основные принципы организации и функционирования различных систем, и частную, сферой которой являет­ся изучение конкретных групп.

Общая экология классифицируется по уровням организации. Популяционная экология изучает популяции — сово­купности особей одного вида объединяемых общей территорией. Биоценология исследует структуру и ди­намику природных сообществ — совокупностей совместно обитающих популяций разных видов.

В настоящее время многие разделы экологии имеют выраженную практическую направленность и имеют большое значение для развития различных отраслей хозяйства. Основной задачей экологии на современном этапе является изучение количественными методами основ структуры и функциониро­вания природных и созданных человеком систем. Окружающая нас живая природа не является беспорядочным сочетанием живых су­ществ. Она представляет собой устойчивую и организованную систему, сложившуюся в процессе эволюции органического мира. Любые явления, связанные с воздействиями человека на природу, обратными влияниями природы на человека и его экономику, с хозяйственными процессами называются экологической проблемой.

Взаимоотношение человека с видами и сообществами может быть достигнута за счет уси­лий со стороны человека. Этим может быть достигнуто решение многих хозяйственных проблем:

—интенсификация производства ряда отраслей;

— сохранение и экономия дорогостоящего сырья;

— увеличение продолжительности жизни и уменьшение заболевае­мости людей;

— совершенствование механизмов взаимодействия общества и приро­ды.

 

1.3 Значение экологического образования

В настоящее время развитие взаимоотношений с природой представляет опасность для существования не только отдельных объектов, территорий, стран и т. п., но и для всего человечества.

Это объясняется тем, что человек тесно связан с живой Природой происхождением, материальными и духовными потребностями, но, в отличие от других организмов, эти связи достигли таких масштабов и форм, что это может привести к полному вовлечению живого покрова планеты (биосферы) в жизнеобеспечение современного общества.

Человек, благодаря разуму, стре­мится обеспечить себе условия среды, быть независимым от физических факторов, например, от климата, от нехватки пищи, избавиться от вредных для него животных и растений и т. п. Поэтому человек, прежде всего, отли­чается от других видов тем, что взаимодействует с природой через создаваемую им культуру, Остановить стихийное развитие событий помогут лишь знания о том, как ими управлять, что возможно через всеоб­щее экологическое образование людей. Как спра­ведливо отметил американский эколог Б. Коммонер в на­чале 70-х гг., «поиски истоков любой проблемы, связанной с окружающей средой, приводят к неоспоримой истине, что коренная причина кризиса заключена не в том, как люди взаимодействуют с природой, а в том, как они взаимодей­ствуют друг с другом...».

Экология, как мы уже показали выше, возникла для решения задач изучения взаимодействия всего живого с неживой природой и орга­низмов между собой. Человек — тоже такой же организм, и изоляция его от природы су­щественно сказывается на его здоровье. Изменение, а тем более уничтожение этой природной среды, влечет за собой отрицательные последствия для жизни человека. Экологические знания позволяют ему принимать правильное решение с целью охраны природы. Они дают понять, что человек и природа — единое целое и пред­ставления о господстве его над природой примитивны.

Экологически образованный человек не допустит сти­хийного отношения к окружающей его среде жизни. Он бу­дет бороться против экологического варварства, а если в таких людей станет большинство, то они обес­печат нормальную жизнь своим потомкам, преобразуя и совершенствуя саму цивилиза­цию, находя наилучшие «экологически чистые» варианты взаимоотношения природы и общества.

Отсюда следует, что в настоящее время остановить нару­шение экологических законов можно, только подняв на долж­ную высоту экологическую культуру каждого члена общест­ва, что возможно сделать, прежде всего, через образование, через изучение основ экологии. Это особенно важно для всех спе­циалистов в пер­вую очередь для специалистов технического профиля.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение экологии.

2. Можно ли "Охрану природы" или "Охрану окружающей среды" на­звать экологией? Если нет, то почему?

3. В чем заключается основная задача экологии?

4. Что такое экологическая проблема?

5.Решению каких народнохозяйственных проблем способствует эко­логия?

 

Тесты для самоконтроля:

1. Экология - наука изучающая

а) влияние загрязнений на окружающую среду

b) влияние загрязнений на здоровье человека

c) влияние деятельности человека на окружающую среду

d) взиамоотношения организмов с окружающей их средой обитания (в том числе многообразие взаимосвязей их с другими организмами и сообществами)

2. Одним из основоположников экологии как науки, давшим ей название науки о взаимоотношениях живых организмов и условий среды, был:

а) К.Минней (ХУШ)

b) М.Б. Латарк (ХУШ)

c) Г.Гаузе (ХХ)

d) Э.Геккель (Х1Х)

3. Система жизнеобеспечения Земли включает несколько важнейших сфер, человек является частью той из них которую называют:

а) литосферой

b) географической оболочкой

c) гидросферой

d) биосферой

4. Все проблемы экологии могут быть выражены одной фразой:

а) океан и суша связаны между собой

b) все неживое взаимодействует между собой

c) все неживое связано между собой и с окружающей средой

d) компоненты географической оболочки изолированы

e) обмен веществ и информации

Лимитирующие факторы

Впервые на значение лимитирующих факторов обратил внимание Ю. Либих. Он устано­вил закон минимума: урожай (продукция) зависит от фак­тора, находящегося в минимуме. Если в почве полезные ком­поненты в целом представляют собой уравновешенную систему и только какое-то вещество, например фосфор, содержится в количествах, близких к минимуму, то это может снизить урожай. Но оказалось, что даже те же самые мине­ральные вещества, очень полезные при оптимальном содер­жании их в почве, снижают урожай, если они в избытке. Значит, факторы могут быть лимитирующими, находясь и в максимуме.

Таким образом, лимитирующими экологическими фак­торами следует называть такие факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью. Их иногда называют ограничивающими факторами.

Различия в совокупном и изолированном действиях отно­сятся и к другим факторам. Например, действие отрицатель­ных температур усиливается ветром и высокой влажностью воз­духа, но, с другой стороны, высокая влажность ослабляет дей­ствие высоких температур, и т. д. Но несмотря на взаимовлияние факторов, все-таки они не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В. Р. Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из фак­торов жизни не может быть заменен другим. Например, нель­зя действие влажности (воды) заменить действием углекисло­го газа или солнечного света, и т. д.

Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или ко­личественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ря­да факторов, уровень которых может оказаться близким к пре­делам переносимого данным организмом. Эти два предела на­зывают пределами толерантности. Организ­мы, для жизни которых требуются условия, ограниченные уз­ким диапазоном толерантности по величине температуры, на­зывают стенотермными («стено» — узкий), а способных жить в широком диапазоне температур — эвритермными («эври» — широкий) (рис. 3.2).

Подобно температуре действуют и другие лимитирующие факторы, а организмы по отношению к характеру их воздей­ствия называют, соответственно, стенобионтами и эврибионтами. Например, говорят: организм стенобионтен по отно­шению к влажности, или эврибионтен к климатическим фак­торам, и т. п. Организмы, эврибионтные к основным клима­тическим факторам, наиболее широко распространены на Зем­ле.

Организмы и сами способны снизить лимитирующее действие факторов, создав, например, определенный микроклимат (микро-­

Рис. 3.2. Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных и звритермных организмов

 

среду). Здесь возникает своеобразная компенсация факторов, которая наиболее эффективна на уровне сообществ, реже — на видовом уровне.

Компенсация факторов, которая наиболее эффективна на уровне сообществ, реже — на видовом уровне.

Такая компенсация факторов обычно создает условия для физиологической акклиматизаци, имеющего широкое распространение, который, акклиматизируясь в дан­ном конкретном месте, создает своеобразную популяцию, экотип, пределы толерантности которой соответствуют местным условиям. Значит в природных условиях организмы зависят от состоя­ния критических физических факторов, от содержания необхо­димых веществ и от диапазона толерантности самих организ­мов к этим и другим компонентам среды.

 

Популяции.

Для ответов на вопросы о причинах изменений численности тех или иных видов растений и животных, о влиянии хо­зяйственной деятельности человека на окружающую приро­ду необходимы знания свойств не только отдельных орга­низмов, но и их групп, обладающих свойствами самовос­производства, — популяций.

 

Понятия о популяции

Популяция — основная функциональная еди­ница живой природы. Она является элементами сооб­ществ, экосистем, участвует в основных процессах транс­формации вещества и переноса энергии.Популяции обладают характерными показателями, при­сущими только им. Некоторые характеристики популяций взаимосвязаны: смертность оп­ределяет структуру, рождаемость — плотность и т. д.

Процессы изменений популяций во времени называются популяционной динамикой. Эти изменения — результат действия множества факторов окружающей среды, а также внутренних механизмов популяционной регуляции.

Популяция — совокупность особей одного вида, изолиро­ванная в пространстве и времени от других совокупностей одного и того же вида. Популяция — «ячейка» биоты, которая являет­ся основой ее существования: в ней происходит самовоспро­изводство живого вещества, она обеспечивает выживание ви­да благодаря наследственности. Выделяют две группы количе­ственных показателей — статические и динамические. Статические показатели характеризуют состояние попу­ляции на данный момент времени.

К статическим показателям популяций относятся их чис­ленность, плотность и показатели структуры. Численность — количество особей одного вида в пределах пространственной единицы. Плотность — число особей, приходящихся на единицу пло­щади, например, плотность населения — количество человек, приходящееся на один квадратный километр, или для гидробионтов — это количество особей на единицу объема, на литр или кубометр. Показатели структуры: половой — соотноше­ние полов, размерный — соотношение количества особей раз­ных размеров, возрастной — соотношение количества особей различного возраста в популяции.

Динамические показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток времени. Основными динамическими показателями популяций являются рождаемость, смертность и ско­рость роста популяций.

Рождаемость — это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. При рассмотрении экосистем пользуются другим динамическим показателем — продукцией — суммой прироста массы всех особей (независимо от того, сколько они прожили) за определенный проме­жуток времени.

Смертность — это число особей, погибших в популяции в единицу времени. Но убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции и эмиграции, т. е. от количества особей, прибывших и убыв­ших в популяции в единицу времени.

Рождаемость, или скорость рождаемости, выражают отношением:

DN_n/Dt,

где DN_n — число особей, родившихся за некоторый про­межуток времени Dt. Но для сравнения рождаемости в раз­личных популяциях пользуются величиной удельной рож­даемости: отношением скорости рождаемости к исходной численности (N):

DN_n/NDt.

За бесконечно малый промежуток времени (Dt —> 0) мы получим мгновенную удельную рождаемость, которую обо­значают латинской буквой «b». Эта величина имеет размер­ность «единица времени ^-1» и зависит от интенсивности раз­множения особей: для бактерий — час, для фитопланктона — сутки, для насекомых — неделя или месяц, для крупных мле­копитающих — год.

Смертность — величина обратная рождаемости, но изме­ряется в тех же величинах и вычисляется по аналогичной фор­муле. Если принять, что DN_m — число погибших особей (не­зависимо от причины) за время Dt, то удельная смертность:

DN_m/NDt,

а при Dt ® 0 имеем мгновенную удельную смертность, которую обозначают буквой «d».

Величины рождаемости и смертности по определению могут иметь положительное значение, либо равное нулю.

Продолжительность жизни вида зависит от условий (фак­торов) жизни. Смертность и рождаемость у организмов сущест­венно изменяется с возрастом. Если в популяции не происходит существен­ных изменений то можно построить кривые выживания. Они отражают зависимость количества доживших до определен­ного возраста особей от продолжительности интервала с момента рождения организмов.

Выделяют три типа основных кривых выживания (рис.4.1), к которым в той или иной мере приближаются все и известные кривые

Кривая I типа, когда на протяжении всей жизни смертность ничтожно мала, резко возрастая в конце нее, характерна для насекомых (ее и на­зывают «кривой дрозофилы»), к ней приближаются кривые выживания человека в развитых странах, а так же некоторых круп­ных млекопитающих.

Кривая 111 типа — это случаи массовой гибели особей в на­-

чальный период жизни. Некоторые ор­ганизмы, которые не заботятся о потомстве и выживают за счет ог­ромного числа личинок, икринок, семян и т. п.

 

Рис. 4.1. Различные типы кривых выживания

 

Кривая П типа характерна для видов, у ко­торых смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни. Такое распределение смертности не столь редкое явление среди организмов. Встречаются они среди рыб, пре­смыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.

 

БИОТИЧЕСКИЕ СООБЩЕСТВА

 

Когда речь идет об экосистемах, под биотическим сооб­ществом понимается биоценоз, поскольку сообщество пред­ставляет собой население б иотопа — места жизни биоцено­за.

 

Биоценоз определение

Биоценоз — это система, состоящая из трех компонентов: растительности, животных и микроор­ганизмов. В такой системе отдельные виды, популяции и груп­пы видов могут заменяться соответственно другими без осо­бого ущерба для содружества, а сама система существует за счет уравновешивания сил антагонизма между видами. Ста­бильность сообщества определяется количественной регуля­цией численности одних видов другими, а его размеры зави­сят от внешних причин — от величины территории с однород­ными абиотическими свойствами, т. е. биотопа. Функциони­руя в единстве биоценоз и биотоп образуют биогеоценоз, или экосистему. Границы биоценоза совпадают с границами биотопа и, следовательно, с границами экосисте­мы. Биотическое сообщество (биоценоз) — это более высо­кий уровень организации, чем популяция, которая является его составной частью. Биоценоз обладает сложной внутрен­ней структурой. Выделяют видовую и пространственную струк­туры биоценозов.

 

Видовая структура биоценоза

Для существования сообщества важна не только величина численности организмов, но и видовое разнообра­зие. Разнообразие вида является основой стабильно­сти в развитии популяций, разнообразие между видами и, сле­довательно, популяциями — основа существования биоценоза как основной части экосистемы.

Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов, за­висящих от ряда факторов. Главными лимитирующими фак­торами являются температура, влажность и недостаток пи­щевых ресурсов. Здесь могут выжить организмы, жизненные формы ко­торых приспособлены к таким условиям. Богатые видами био­ценозы — тропические леса, с разнообразным животным ми­ром.

Обычно бедными видами природные биоценозы считают­ся, если они содержат десятки и сотни видов растений и жи­вотных, богатые — это несколько тысяч или десятки тысяч ви­дов. Видовое разнообразие — это число видов в данном сооб­ществе. Оно взаимосвязано с разнообразием условий среды обитания. Чем боль­ше организмов найдут в биотопе подходящих для себя условий по экологическим требованиям, тем больше видов в нем поселится. Виды, которые преобладают по численности, называют до­минантными, или — доминантами данного сообще­ства. Но и среди них есть такие, без которых другие виды существовать не могут. Их называют эдификаторами (лат. — «строители»). Они определяют микросреду все­го сообщества и их удаление грозит полным разрушением био­ценоза. Как правило, эдификаторами выступают растения — ель, сосна, кедр, ковыль и лишь изредка — животные (сур­ки).

«Второстепенные» виды — малочисленные и даже ред­кие — тоже очень важны в сообществе. Их преобладание — это гарантия устойчивого развития сообществ. В наиболее богатых биоценозах практически все виды малочисленны, но чем бед­ней видовой состав, тем больше видов доминантов. При опре­деленных условиях могут быть увеличение численности отдель­ных доминантов. Для оценки разнообразия используют и другие показате­ли, которые значительно дополняют вышеуказанные. Обилие вида — число особей данного вида на единицу площади или объема занимаемого ими пространства.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Любая единица, включающая все совместно функционирующие, организмы (биотическое сообщество) на дан­ном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает определенные биоти­ческие структуры и круговорот веществ между живой и нежи­вой частями, представляют собой экологическую систему, или экосистему».

 

Концепция экосистемы

Главным предметом исследования в экосистеме становятся трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, биогеохимический круговорот веществ в це­лом (рис. 6.1). Это позволяет дать общую оценку результатов жизнедеятельности многих от­дельных организмов, видов, как по биогеохимиче­ским функциям, т. е. по характеру осуществляемых в природе процессов превращения вещества и энергии. Например, все высшие растения потребляют одни и те же вещества, все они используют свет и благодаря фотосин­тезу, образуют близкие по составу органические вещества и вы­деляют кислород.

Выделяют: микроэкосистемы (лишайники и т. п.); мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.); макроэкосистемы (континент, океан) и, наконец, глобальную экосистему (биосфера Земли) или экосферу — интеграция всех систем. Многие сис­темы автономны — пруды, озера, океан, леса и др. Но даже биосфера Земли часть веществ отдает в космос и по­лучает вещества из космоса.

Таким образом, природные экосистемы — это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энер­гию.

Запасы веществ, усвояемые организмами и, прежде всего, продуцентами, в природе небезграничны. Если бы эти вещест­ва не использовались многократно, а точнее не были бы вовле­чены в этот вечный круговорот, то жизнь на Земле была бы вообще невозможна. Такой круговорот (рис. 6.1) биогенных компонентов возможен лишь при наличии функ­ционально различных групп организмов, способных осуществ­лять и поддерживать поток веществ, извлекаемых ими из ок­ружающей среды.

Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необ­ходимы неорганические молекулы в усвояемой для продуцен­тов форме, консументы, питающиеся продуцентами и други­ми консументами, а также редуценты, восстанавливающие вещества.

Рис. 6.1. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в природных экосистемах

С точки зрения пищевых взаимодействий организмов, тро­фическая структура экосистемы делится на два яруса: 1) верх­ний — автотрофный ярус, или «зеленый пояс», включающий фотосинтезирующие организмы, создающие сложные органи­ческие молекулы из неорганических простых соединений, и 2) нижний — гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, в котором преобладает разложение отмерших орга­нических веществ снова до простых минералов. Чтобы разобраться в сложных биологических взаимо­действиях в экосистеме, следует выделить ряд компонентов: 1) не­органические вещества (С, N, СО₂, Н₂О, Р, О и др.), участвую­щие в круговоротах; 2) органические соединения (белки, угле­воды, липиды, гумусовые вещества и др.), связывающие био­тическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и суб­стратную среду, включающую абиотические факторы; 4) про­дуцентов — автотрофных организмов, в основном зеленых рас­тений, способных производить пищу из простых неорганиче­ских веществ; 5) консументов, — гетеротрофы, в основном животные, питающиеся дру­гими организмами или частицами органического вещества; 6) редуцентов — ­ ге­теротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, полу­чающих энергию путем разложения отмершей или поглоще­ния растворенной органики.

Фотосинтезирующие организмы и хемосинтезиующие, создают органические вещества на Земле про­дукцию в количестве 100 млрд т/год и примерно такое же количество веществ должно превращаться в результате дыха­ния растений в углекислый газ и воду. Однако этот баланс не­точен.

 

Энергия экосистемы

Энергетические потоки Жизнь на Земле существует за счетсолнечной энергии. Свет — единственный на Земле пищевой ресурс, энергия кото­рого, в соединении с углекислым газом и водой, рождает про­цесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают орга­ническое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д. Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов к гетеротрофам, консументам и так с одного трофического уровня на другой.

Трофический уровень — это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень — это продуценты, все ос­тальные — консументы. Второй трофический уровень — это растительноядные консументы; третий — плотоядные консумен­ты, питающиеся растительноядными формами; четвертый — консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следо­вательно, можно и консументов разделить по уровням: консу­менты первого, второго, третьего и т. д. порядков (рис. 6.3).

Четко распеределяются по уровням консументы, спе­циализирующиеся на определенном виде пищи. Однако есть ви­ды, которые питаются мясом и растительной пищей (человек, медведь и др.), которые могут включаться в пищевые цепи на любом уровне. Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полно­стью — от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, ко­торые называют тратой на дыхание, оцениваемая общим коли­чеством СО₂ выделенного

Рис.6.3. Пищевые взаимосвязи организмов в биогеоценозе

организмом. Меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питатель­ных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме. В конечном итоге вся энергия, превращается в тепло­вую и рассеивается в окружающей среде.

Таким образом, входя в экосистему, поток лучистой энер­гии разбивается на две части, распространяясь по двум видам трофических сетей, но источник энергии общий — солнечный свет.

Рис. 6.4. Упрощенная схема пирамиды Элтона

В конечном итоге все три правила пирамид отражают энер­гетические отношения в экосистеме, а пирамида продукции (энергии) имеет универсальный характер.

В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначительно, т. е. природа стремится использовать полно­стью валовую продукцию.

Человек получает достаточно много продукции от природ­ных систем, основным источником пищи для него является сельское хозяйство. Создав агроэкосистемы, че­ловек стремится получить как можно больше чистой продук­ции растительности, значительная часть продукции идет в промыш­ленность и теряется в отбросах, т. е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% непосредственно используется на потребление человеком.

В природных экосистемах энергетические потоки также из­меняются по своей интенсивности и характеру, но этот процесс регулируется действием экологических факторов, что проявля­ется в динамике экосистемы в целом.

Динамика экосистемы

Экосистема испытывает те же процессы, что и ее популяции и сообщества: цикличность, смену популяций и биоценозов, и др. Цикличность Суточная, сезонная и многолетняя периодичность внешних условий. Суточные циклы наиболее резко выражены в условиях климата где значительная раз­ница между дневными и ночными температурами. Например, в песчаных пустынях Средней Азии мно­гие животные прячутся в норы или ведут ночной образ жизни летом, а некоторые — зимой переходят на дневной (змеи, пау­ки и др.). Однако суточные ритмы наблюдаются во всех гео­графических зонах, и даже в тундре в полярный день расте­ния закрывают и открывают свои цветки в соответствии с эти­ми ритмами. Сезонная цикличность выражается в том, что на опреде­ленный период из биоценоза «выпадают» группы животных и даже целые популяции, впадающие в спячку,

Многолетняя цикличность проявляется благодаря колебаниям климата. Многолетняя периодичность в изменении чис­ленности биоценоза, вызванная неравномерным выпаде­нием осадков по годам, с периодическим повторением засух.

Под экологической сукцессией понимает вообще весь процесс развития экосистемы. Более конкретное определение дает этому явлению Н. Ф. Реймерс: «Сук­цессия — последовательная смена биоценозов, возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влия­нием природных факторов или воздействия человека». Измене­ния в сообществе в результате сукцессии носят закономерный характер и обусловлены взаимодействием организмов между собой и с окружающей абиотической средой. Экологическая сукцессия происходит в определенный от­резок времени, в который изменяется видовая структура сооб­щества и абиотическая среда его существования вплоть до его развития возникновения стабилизированной сис­темы. Такую стабилизированную экосистему называют климак­сом. В этом состоянии система находится тогда, когда в ней на единицу энергии приходится максимальная биомасса и макси­мальное количество связей между организма­ми. Система про­ходит ряд стадий развития, первые из которых часто называют стадией первых поселенцев. Поэтому, в более узком смысле, сукцессия — это последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе.

Для возникновения сукцессии необходимо свободное про­странство. В зависимости от первоначального состояния суб­страта, различают первичную и вторичную сукцессии. Пер­вичная сукцессия — это если формирование сообществ начина­ется на первоначально свободном субстрате, а вторичная сук­цессия — это последовательная смена одного сообщества, су­ществовавшего на данном субстрате, другим, более совершен­ным для данных абиотических условий. Первыми, как правило, на свободное пространство начина­ют внедряться растения посредством перенесенных ветром спор и семян. Ельник — это последняя климаксная стадия развития эко­системы в климатических условиях Севера. Вначале же здесь развиваются березняки, ольховни­ки, осинники, под пологом которых растут ели. Постепенно они перерастают березу и вытесняют ее, захватывая простран­ство (рис. 6.5). Бе­реза растет намного быстрее чем ель. Под крона­ми берез возникает уже свой микроклимат, обилие опада ли­стьев способствует формированию особых почв, поселяются многие животные, появляется разнообразный травянистый по­кров. А ель продолжает расти в столь благоприятной обстановке и, на­конец, береза не выдерживает конкуренции с ней за простран­ство и свет и вытесняется елью.

Классическим примером природной сукцессии является «старение» озерных экосистем — эвтрофикация. Она выража­ется в зарастании озер растениями от берегов к центру. Здесь наблюдается ряд стадий зарастания — от начальных — д