Требования к знаниям и умениям учащихся после изучения темыТребования к знаниям и умениям учащихся после изучения темы После изучения темы учащиеся должны:
Экосистема – (от греч. oikos – жилище, местообитание) – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Обозначить 2 компонента экосистемы – биосистема (биота) и физиосистема. Биосистема – комплекс живых организмов. Физиосистема – комплекс факторов абиотической среды. Сравнить понятие «экосистема» с понятием «биогеоценоз». Биогеоценоз (от греч. bios – жизнь, koinos – общий) – это единый комплекс организмов (популяций разных видов), обитающих на определенной территории с однородными условиями существования, а также взаимодействующих между собой. Обозначить структурные компоненты биогеоценоза: экотоп и биоценоз (по В.Н. Сукачеву). Экотоп – это совокупность факторов абиотической среды. Биоценоз – это все взаимодействующее население биогеоценоза. Любой биогеоценоз может быть назван экосистемой, в то время как не каждая экосистема может быть названа биогеоценозом. Совокупность всех экосистем нашей планеты образует биосферу. Привести примеры экосистем. Следует отметить, что понятия «экосистема» и «биогеоценоз» не имеют полного тождества и оттеняют различные аспекты устройства и функционирования природы. По сути – это просто разные точки зрения на один и тот же предмет, которые не взаимоисключают, а взаимно дополняют друг друга. И биогеоценоз, и экосистему можно считать моделями реального мира живых организмов. Перейти к структуре экосистем. Дать представление о видовой, трофической, пространственной и функциональной структуре экосистемы. Под видовой структурой понимается количество видов, образующих экосистему, и соотношение их численности. С экологических позиций принято различать три группы организмов, образующие трофические (пищевые) уровни в структуре экосистемы:
Показать пищевые взаимоотношения между организмами внутри экосистемы. Построить короткие, длинные, полные и неполные пищевые цепи. Взаимоотношения организмов разных трофических уровней можно представить графически, в виде экологических пирамид (совокупности трофических уровней). Пространственная структура проявляется в горизонтальном и в вертикальном направлениях. Неоднородность экосистемы в горизонтальном направлении имеет крупные и мелкие формы. Скопления деревьев в лесу могут занимать площадь в десятки и сотни квадратных метров, а мелкие пятна трав, дернинки мхов, пни, валежины и муравейники имеют незначительные размеры. Для обозначения крупных мозаик горизонтальной структуры сообщества было предложено понятие «парцелла», а для обозначения мелких пятен принято понятие «ареола». Привести примеры разных типов парцелл темнохвойного леса – мертвопокровные, мелкотравные, крупнотравные. Вертикальное, этажное строение экосистемы формируется ярусами, либо горизонтами. Привести примеры экосистем с ярусным и горизонтальным строением. Примером экосистемы с ярусным строением является лес. В лесу могут быть представлены все ярусы (древесный, кустарниковый, травяной ярусы). Ярус деревьев выделяют на всю древесную толщу: от наиболее глубоких ответвлений корней в почве до верхушек крон. Подобным образом выделяют и другие ярусы. Ввести понятие «консорция» – единица функциональной структуры сообщества, отражающая все многообразие существующих в нем связей. Рассмотреть пример консорции. Дать задание для самостоятельной работы: найти информацию об изменении экосистем во времени (обратимые изменения и глубокие необратимые изменения), подготовить примеры различных структур экосистемы. ЭКОЛОГИЯ ЭКОСИСТЕМЫ. ППопуляции разных видов в природных условиях объединяются в системы более высокого ранга – с биоценозы и экосистемы. Термин «экосистема» был предложен английским экологом А.Тенсли в 1935 г. Используют и термин биогеоценоз, предложенный русским учёным В.Н.Сукачёвым, включающий экосистему и ландшафт, место её обитания. Экосистемы могут существенно различаться по размеру. Существуют микроэкосистемы – болотная кочка, дерево, покрытое мхом, горшок с цветком; мезоэкосистемы – озеро, болото, луг, песчаная дюна; макроэкосистемы – тайга, пустыня Сахара, дождевые леса Амазонки. Системой жизнеобеспечения Земли является глобальная экосистема – биосфера, включающая все живые организмы, взаимосвязанные с физической средой и энергией Космоса. Экосистема – это надорганизменная система, в которой биотический компонент представлен биоценозом, а абиотический – биотопом. С функциональной точки зрения экосистемы целесообразно анализировать в следующих направлениях: 1) потоки энергии; 2) пищевые цепи; 3) структура пространственно-временного разнообразия; 4) круговороты питательных элементов (биогеохимические круговороты);5) развитие и эволюция и 6) управление (кибернетика). Термин "биоценоз" был предложен немецким зоологом К. Мёбиусом и обозначает организованную группу популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определённого объема пространства. Любой биоценоз занимает определённый участок абиотической среды –биотоп. Биотоп - пространство с более или менее однородными условиями, заселённое тем или иным сообществом организмов. Важными, с научной точки зрения,критериями оценки состояния биоценозов являются его структура - видовой и численный состав, трофическая (пищевая) цепь, продуктивность, биомассаи т.д. Биоценоз - не просто сумма образующих его видов, но и совокупность взаимодействий между ними. Все многообразные взаимодействия между видами принято делить на три основных группы: пищевые взаимоотношения, пространственные и средообразующие. Важнейший вид взаимоотношений между организмами в биоценозе, фактически формирующими его структуру - это пищевые связи хищника и жертвы: одни - поедающие, другие - поедаемые. При этом все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов: заяц ест траву, лиса и волк охотятся на зайцев, хищные птицы способны утащить и съесть как лисёнка, так и волчонка. Погибшие растения, зайцы, лисы, волки, птицы становятся пищей для детритофагов (редуцентов). Пищевая (трофическая) цепь - это последовательность организмов, в которой каждый из них поедает или разлагает другой. Она представляет собой путь движущегося через живые организмы однонаправленного потока поглощенной при фотосинтезе малой части высокоэффективной солнечной энергии, поступившей на Землю. В конечном итоге эта цепь возвращается в окружающую природную среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся питательные вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцентам, а затем обратно к продуцентам. Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами, организмы второго трофического уровня называют первичными консументами (гетеротрофами, то есть «питающиеся другими), третьего -вторичными консументами и т.д. Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко более шести (рис.27):
Рис. Трофическая сеть луга по Р.Риклефсу, 1979 г. (цифрами обозначены трофические уровни) Выделяют два главных типа пищевых цепей - пастбищные и детритные. Концепция пищевых цепей позволяет проследить круговорот химических элементов в природе, хотя реальные пищевые цепи намного сложнее, чем соответствующее их схематичное изображение (рис. 28).
Рис. Схема превращения азота в биотическом круговороте: потребление азота; поступление азота. Живое органическое вещество преобразуется в пастбищных пищевых цепях, а мёртвое – в детритных. Пастбищные цепи иногда называют «цепями выедания». В большинстве случаев первым звеном такой цепи являются живые зелёные растения (фототрофы). Второе звено (консументы 1-го порядка) представлено травоядными животными или паразитами растений. Третье звено (консументы 2-го порядка) – хищники или паразиты консументов 1-го порядка. Четвёртое звено - – хищники или паразиты консументов 2-го порядка и так дальше. Примером такой цепи может служить схема: сосна тля божья коровка паук насекомоядная птица хищная птица. В детритных цепях, или «цепях разложения», первым звеном является отмершее органическое вещество – детрит (от лат.detritus - истёртый). консументами 1-го порядка в детритных цепях являются организмы, питающиеся трупами, экскрементами, опавшей листвой. Второе и иногда третье звено детритной пищевой цепи представлено настоящими редуцентами – организмами (грибы и бактерии), разрушающими органические вещества до неорганических. Например: опад клёна дождевой червь почвенные грибы бактерии. В наземных экосистемах преобладают именно дендритные пищевые цепи, в них перерабатывается почти 90% всего органического вещества, ежегодно производимого экосистемой. Большинство животных может питаться организмами разных типов, входящих в одну и ту же пищевую цепь или в различные пищевые цепи. Это особенно характерно для высших трофических уровней. Всеядные животные питаются и консументами, и продуцентами. Таким образом, в природе пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые (трофические) сети. В водных экосистемах чаще доминируют пастбищные цепи. Детритные цепи преобладают в придонных и глубинных слоях воды. Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в биоценозе принято использовать экологические пирамиды: пирамиды численности, биомассы и энергии. Для построения пирамид численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням. Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, площадь которого соответствует численному значению количества особей в определённом масштабе. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности получают экологическую пирамиду численности, основной принцип построения которой впервые сформулировал американский ученый Ч.Элтон. Данные для пирамид численности получают достаточно легко путем прямого сбора образцов, однако сами по себе пирамиды численности не всегда достоверно отражают направление потока веществ и энергии в биоценозе: продуценты сильно различаются по размерам, хотя один экземпляр дерева или злака имеют в пирамиде численности одинаковый статус. Это обстоятельство нарушает правильную пирамидальную форму, давая перевёрнутые пирамиды.
Рис. Пирамиды численности, биомассы и энергии по Ю.Одуму (1975 г.) Чтобы избежать неудобств, характерных для пирамид численности используют пирамиды биомассы. В этом случае размер прямоугольников пропорционален биомассе живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице площади или объема. Однако сама по себе биомасса каждого трофического уровня, выраженная в единицах массы в каждый конкретный момент времени не содержит в себе информации о скорости её прироста. В тоже время продуцентам небольшого размера, например водорослям, свойственна высокая скорость роста и размножения. Их продуктивность – то есть скорость прироста биомассы, может быть не меньше, а то и больше продуктивности крупных деревьев, и, хотя в каждый данный момент времени биомасса на корню мала, фитопланктон (микроводоросли) может поддерживать жизнь крупных животных, например китов. Поэтому, в случае наземных экосистем пирамиды массы практически всегда имеют широкое основание и узкую вершину, а для водной среды характерны перевёрнутые пирамиды массы. Самым фундаментальным способом описания связей между организмами разных трофических уровней является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален количеству энергии на единицу площади или объема, прошедший через трофический уровень за определённый период времени. На форму такой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей. Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид согласно второму закону термодинамики. Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества. Первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания являются растения. При дальнейших переходах энергии и вещества с одного трофического уровня на другой существуют определённые закономерности, сформулированные в виде правила Р.Линдемана (1942): -с одного трофического уровня на другой, более высокий уровень переходит, в среднем, около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды. При этом действует принцип биотического усиления (накопления): вредные вещества накапливаются в трофических сетях, увеличивая свою концентрацию с уровня на уровень примерно на порядок. Принцип биотического усиления должен быть принят во внимание при любых решениях, связанных с поступлением соответствующих загрязнений в природную среду. Вопросы самоконтроля. 1. Что такое пищевая цепь и как много таких цепей в экосистемах? 2. Какие трофические уровни в пищевой цепи занимают продуценты и консументы первого, второго и третьего порядков? 3. Как формулируется правило экологической пирамиды? Чем отличаются пирамиды численности, биомассы и энергии? 4. Сформулируйте правило биотического усиления и приведите примеры его действия. 5. Какие приспособления эволюционно вырабатывает хищник для этого способа питания? 6. Кто чью численность контролирует: хищник жертву или наоборот? 7. Что такое экосистема? 8. Что такое продуктивность экосистем? 9. Как влияют абиотические факторы среды на формирование видовой структуры биоценозов? 10. От чего зависит видовой состав и насыщенность биоценоза? 11. Объясните, в чем заключается особая важность биоразнообразия для экосистем нашей планеты. 12. Сформулируйте правило Линдемана и приведите примеры его действия. 13. Вспомните основные принципы функционирования экосистем. Противоречат ли им основные тенденции развития человеческого общества? 14. Можно ли цветочный горшок с цветущим растением считать экосистемой? Обоснуйте. 15.Опираясь на закономерности организации сообществ, обоснуйте точку зрения, в которой для решения проблем человечества необходим переход на растительный рацион питания (вегетарианство).
|
