Модуль 1. Предмет экологии. Экосистемы, биосфера, их структура, свойства и законы функционирования.

 

1. Предмет экологии, ее объект и задание

Геккель дал такое определение экологии - это познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живой природы с органическими и неорганическими компонентами окружающей среды, включая непременно антагонистичные и неантагонистичные взаимоотношения животных и растений, которые контактируют друг с другом.

На современном этапе развития общества экология решает круг проблем и пользуется методами, которые выходят далеко за пределы чисто биологической науки. Антропогенное влияние на природную среду живых организмов достигло таких масштабов, что угрожает самой жизни на Земле. Исходя из этого, можно дать такое определение экологии:

Современная экология - наука о стратегии и тактике сохранения и стабильного развития жизни на Земле.

Ведущим в изучении естественных комплексов является принцип системности, который обеспечивает подход к ним как к органически целостным системам. Выходя из системного подхода, можно дать такое определение экологии:

Экология - наука о структуре, свойствах и законах функционирования экосистем разного иерархического уровня.

Объектом изучения экологии являются экосистемы разного иерархического уровня; предмет изучения - структура, свойства и законы функционирования экосистем разного иерархического уровня.

Цель экологии: на основе специальных аналитических научных дисциплин дать общую картину структуры и функционирования природы и определить место и роль человека в природных процессах.

Задание экологии:

1. Изучение общего состояния современной биосферы планеты, его формирования и особенности развития, под воздействием природных и антропогенных факторов;

2. Прогноз динамики состояния биосферы во времени и пространстве, в зависимости от влияния разнообразных факторов;

3. Разработка путей гармонизации взаимодействия общества и природы с целью сохранения самой жизни на Земле.

 

2 Экосистемы

 

2.1. Понятие экосистемы

 

Под системой, вообще, понимают упорядоченные взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, которые образуют единое целое. Существует несколько определений, что такое экосистема.

I. Экосистема - единый природный организм, созданный за длительный период живыми организмами и средой их существования и, где все компоненты тесно связаны путем обмена веществом и энергией.

II. Экосистемы - термодинамически открытые, функционально целостные системы, которые существуют за счет поступления из окружающей среды энергии и частично вещества и которые саморазвиваются и саморегулируются.

Для выделения экосистемы ее размер не определен, он может быть как большим, так и маленьким.

Размер экосистемы определяется тем пространством, при наличии которого возможно осуществление процессов саморегуляции и самовосстановления совокупности составных компонентов и элементов экосистемы, которые создают среду.

Компоненты экосистемы

 

С биологической точки зрения в составе экосистем выделяют такие компоненты:

1. Неорганические вещества (кислород, азот, углекислый газ, вода, фосфор, углерод и др.), которые вступают в круговорот;

2. Органические соединения (жиры, углеводы, белки, и др.);

3. Воздушная, водяная и субстрактная среда, которая включает климатический режим и другие физические факторы;

4. Продуценты – автотрофные (то есть те, которые питаются самостоятельно) живые организмы, в основном зеленые растения, которые могут создавать биомассу из простых химических элементов путем фотосинтеза;

5. Макроконсументы - гетеротрофные (те, которые питаются не самостоятельно) организмы, в основном, это животные (фаготрофы);

6. Микроконсументы или редуценты - гетеротрофные организмы (бактерии, грибки...), которые получают энергию или при разложении мертвых тканей продуцентов или макроконсументов, или путем поглощения растворенного органического вещества (эти организмы еще называются сапротрофы).

В функциональном плане выделяют такие компоненты:

1. Потоки энергии;

2. Круговороты вещества;

3. Живые организмы;

4. Управляющие цепи обратных связей;

5. Информационные потоки.

Компоненты экосистемы находятся в определенных взаимосвязях и взаимодействии, что и являет собой структуру экосистемы. Структура связывает компоненты системы, придавая им общность и целостность. Стойкость взаимосвязей и взаимодействие компонентов, т.е. структура, препятствует постоянному изменению компонентов, удерживая эти изменения в определенных пределах и сохраняя экосистему от распада.

В структурном плане экосистемы могут делиться на подсистемы и блоки, которые играют роль “кирпичиков”. В число структурных элементов входят популяции, консорции (совокупность разнородных организмов, тесно связанных между собой и зависимых от центрального члена содружества, экологически и пространственно обособлена часть фитоценоза, который состоит из растений одной или нескольких близких жизненных форм), ярусы растительности. Количество возможных связей между членами экосистемы определяется за формулой:

, (2.1)

где: А - число связей, N - число видов в экосистеме.

Бывают экосистемы:

монодоминантные - экосистемы с одним основным видом продуцента (монокультура);

олигодоминантные - экосистемы с несколькими основными видами продуцентов и консументов (в понятие стоило бы включить и редуцентов);

полидоминантные – экосистемы, в которых нет четкого преимущества небольшого числа видов над другими. Эти экосистемы богаты разнообразностью живых организмов, они еще называются бездоминантными.

Чем же определяются пределы многообразия экосистем? Почему в разных регионах они так сильно отличаются по составу и богатству видов? В результате чего видовое богатство высших растений, например, на арктических островах не превышает 50 - 100 видов на 100 кв. км, а в тропиках на такой же площади можно обнаружить больше 1000 видов? Это связано, во-первых, с действием лимитирующих факторов, в первую очередь климатических, они определяют, какие именно виды лучше всего приспособлены к существованию в тех или других условиях, а, во-вторых, с действием принципа эколого-географического максимума видов. В соответствии с этим принципом - для нормального функционирования любой экосистемы в ней должно существовать столько и таких видов, сколько и каких необходимо для максимального использования энергии, которая поступает и обеспечение кругооборота вещества.

Классификация экосистем

 

Существуют разнообразные подходы к классификации экосистем:

І. По размеру: микроэкосистемы, мезоэкосистемы, макроэкосистемы

континентальные экосистемы, глобальная экосистема - биосфера.

ІІ. По ландшафту: северные хвойные леса, тундра, лиственные леса, тропические леса, влажные, тропические леса сухие, прерии, саванны, пустыни, вечнозеленые кустарники, горные леса (указаны только континентальные экосистемы, водные не указаны).

ІІІ. По энергии:

1. Природные экосистемы, движимые энергией Солнца, не субсидируемые другими видами энергии;

2. Природные экосистемы, движимые энергией Солнца, субсидируемые другими источниками природной энергии (ветер, дождь, др.);

3. Экосистемы, движимые энергией Солнца и субсидируемые дополнительной энергией вносимой человеком (это агроэкосистемы);

4. Индустриально-городские экосистемы, движимые энергией топлива (уголь, нефть, ядерная энергия).

Структура экосистем

Субстрактная среда

 

субстрактная среда включает воздушный, водный режим и физические факторы.

 

Рисунок 2.1 Структура экосистем.

 

Экологические факторы

Свойства экосистем описывают с помощью экологических факторов.