ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

 

Экология - наука о взаимоотношениях отдельных организмов или их сообществ и среды их обита­ния. Экология исследует три основных уровня организации живой материи: отдельные особи, попу­ляция и сообщества.

Экология изучает, как влияют на организм абиотические и биотические факторы среды и наоборот, вопросы, связанные с изменениями и колебаниями численности популяции, состав и структуру сообществ и закономерности их функционирования (круговорот веществ и энергии).

Отдельные элементы среды обитания организмов называют экологическими факторами. Они делятся на три большие группы:

1. абиотические - факторы неживой природы (температура, влажность, свет, газовый состав, давление, ветер и т.д.);
2. биотические – факторы живой природы (взаимодействия между особями одной популяции, между разными популяциями, в природных сообществах и т.д.);
3. атропогенные - все случаи воздействия человека на природу.

Экологические факторы не могут быть заменены друг другом. Например, обильное водоснабжение не заменит недостаток тепла; отсутствие минеральных солей не восполнится избыточностью света и т.д. Таким образом, организм должен испытывать воздействие всего комплекса экологических факторов. С другой стороны, каждый экофактор должен иметь определённую интенсивность, наиболее благоприятную для жизнедеятельности организма. Это оптимальная интенсивность, или оптимум, экологического фактора. Причём отрицательно сказывается на организм как недостаток экофактора, так и его избыток. Отклонения значений оптимума до минимума или максимума, при которых еще возможна жизнедеятельность называют предел выносливости. За его границами жизнедеятельность невозможна. Предел выносливости организма по отношению к какому либо фактору всегда зависит от других факторов. Например: бедность жизни в Арктике и в пустыне обусловлена как недостатком, так и избытком температуры; устрицы размножаются при оптимальной концентрации соли в воде 1, 5-1, 8 %, при снижении концентрации до 1% гибнут до 90% особей, а при снижении концентрации до 0, 25% - гибнут все.

Одни виды могут выдерживать значительные отклонения от оптимума, они обладают широким диапозоном выносливости (например: бурый медведь – по отношению к температурным условиям), другие – узким диапозоном. Таким образом, границы выносливости носят индивидуальный характер.

Экофактор, выходящий за границы выносливости, является ограничивающим, т.к. при этом существование организма становится невозможным. В принципе любой фактор, резко отклоняющийся от оптимального значения, является ограничивающим, но чаще в его роли выступают такие факторы, как температура, влажность, свет. Например: концентрация кислорода в атмосфере должна быть не ниже 3%, что обеспечивает возможность существования жизни вообще.

Взаимодействие популяций разных видов.

Обитая на одной территории, популяции обязательно взаимодействуют друг с другом. Основные виды взаимодействия популяций следующие: конкуренция, хищничество, паразитизм, симбиоз (мутуализм).

Конкуренция возникает в том случае, если различные виды обладают сходными потребностями к условиям жизни, пищи, пространству. Конкуренция - одно из проявлений борьбы за существование.

Хищничество - отношения, при которых особи одного вида поедают особей другого вида.

Паразитизм - отношения, при которых паразит получает необходимые питательные вещества от организма хозяина, принося ему вред, но не вызывая немедленной гибели.

Симбиоз (мутуализм) - отношения, при которых каждый вид извлекает пользу из связи с другим видом. В последнее время под симбиозом понимают несколько форм взаимоотношений организмов (мутуализм - обоюдно полезное сожительство, комменсализм - нахлебничество, си- нойкия - квартирантство), а не только мутуализм.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Исторически сложившиеся сообщества популяций различных видов, населяющих определённую территорию или акваторию, связанных между собой, взаимно влияющих друг на друга, называются биоценозами.

Среда и биоценоз связаны потоками вещества и энергии. Из среды организмы поглощают вещества и энергию, а ей возвращают продукты метаболизма и энергию в виде тепла. Таким образом, биоценоз и среда составляют неразрывное единство, одну сложную систему, которую называют экосистемой или биогеоценозом.

Биогеоценоз - комплекс взаимосвязанных популяций разных видов, обитающих на территории с более или менее однородными условиями существования. Размеры биогеноценоза от нескольких сотен м² до нескольких км², а по вертикали от нескольких см (на скалах) до нескольких сотен метров (в лесу).

Связь между компонентами биогеоценоза возникает на основе пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи бывают трех типов:

Цепь выедания: растения — растительноядные животные — хищники (трава → кузнечики → иволга → змея→ коршун).

Цепь разложения: растительные и животные остатки — мелкие трупоядные животные, грибы, бактерии.

Паразитическая цепь: хозяин — паразит (овца→ овод, откладывающий личинки под кожу овцы→ одноклеточный паразит овода→ бактерия (паразит одноклеточного) → бактериофаг).

Цепи питания не могут быть длинными, ибо каждый последующий потребитель, поедая предыдущего, значительную часть энергии тратит на свою жизнедеятельность. Только 5-20% энергии переходит во вновь построенное вещество тела потребителя. Поэтому обычно пищевая цепь имеет 3-5 звеньев. При переходе с одного уровня на другой численность особей уменьшается, а их размер увеличивается. Так, на 1 га луга растет примерно 9 млн. растений (I пищевой уровень); ими питаются 700 000 растительноядных насекомых (II уровень); их поедают 350 000 хищных насекомых и пауков (Ш уровень); являющихся пищей для трех птиц (IV уровень). Как видим, образовалась экологическая пирамида, основание которой в 3 млн. раз шире, чем вершина. Различают три типа экологических пирамид:

• пирамида чисел (на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов);
• пирамида биомасс (характеризует общую массу организмов каждого уровня);
• пирамида энергии (показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях).

В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды биомасс широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс может быть обращенной, или перевернутой (острием направлена вниз). Подобные пирамиды биомасс наблюдаются в океане. Фитопланктон океана имеет малые размеры и массу, но очень интенсивно размножается. Годовая продукция фитопланктона в сотни раз превышает урожай, т.е. фитомассу, отнесенную к данному моменту времени. Однако вся первичная продукция быстро съедается потребителями (зоопланктон, низшие ракообразные), и накопление биомассы практически не происходит. В тоже время в океане происходит накопление зоомассы, ибо эти организмы крупнее и медленно воспроизводятся. Таким образом на данный момент получается, что потребителей больше, чем продуцентов, и пирамида биомасс имеет перевернутый вид по сравнению с пирамидой биомасс суши.

Пирамида численности тоже может иметь перевернутый вид, например, на одном дереве может обитать и кормиться большое число насекомых.

Сруктура биогеноценоза.

Любой биогеоценоз состоит из 4 компонентов:

Продуценты - организмы, производящие биомассу (растения).

Консументы - потребители биомассы (растительноядные животные - потребители 1-го порядка, плотоядные животные - потребители 2-го порядка).

Редуценты — разрушители органических остатков (бактерии, грибы).

Косное вещество - комплекс условий неживой природы, в котором существуют данные организмы (почва, атмосфера, вода).

Биогеоценоз характеризуется следующими показателями:

1. видовое разнообразие - число видов населяющих данный биогеоценоз;
2. плотность популяций - количество особей данного вида, приходящихся на единицу площади или объёма;
3. биомасса - общее количество органического вещества, т.е. совокупность всех особей биогеноценоза.

Примером биогеценоза может служить пресноводный водоём: источник энергии - солнечный свет; водоросли и растения — продуценты; рачки и растительноядные рыбы консументы 1-го порядка; хищные рыбы - консументы 2-го порядка; бактерии гниения - редуценты.

Факторы, вызывающие изменение численности популяции, способы её регулирования.

В экологии популяцией называют группу особей одного вида, взаимодействующих друг с другом и совместно обитающих на одной территории. Экологические характеристики популяции следующие:

• величина популяции - численность особей и занимаемый ими ареал;
• возрастная структура популяции - соотношение молодняка, взрослых и старых особей;
• половая структура популяции - соотношение самок и самцов (обычно соотношение 1: 1);
• плотность популяции - среднее число особей на единицу площади (объёма) занимаемого пространства;
• динамика численности популяции - рождаемость, смертность, прирост, а также темп роста популяции - прирост за единицу времени.

Смена биоценозов.

Последовательная смена во времени одних биоценозов другими на определённом участке земной поверхности называется сукцессией.

Причины изменения характера и структуры биогеоценоза могут быть как внешними (например, изменение климата), так и внутренними (например, при изменении плотности популяции). Сукцессии могут быть двух типов: первичные и вторичные.

Первичные сукцессии — это процесс формирования сообществ живых организмов в таких условиях, в которых они до этого отсутствовали (например, на вновь поднявшихся с океанского дна островах вулканического происхождения, на песчаных дюнах). Этот процесс занимает примерно 1000 лет.

Вторичные сукцессии — это процесс восстановления и формирования новых сообществ в условиях, в которых они (сообщества) прежде существовали, но были уничтожены (например, восстановление растительности на лесных вырубках или выжженных участках степи). Этот процесс занимает 100 - 200 лет.

Сукцессия завершается климаксом — образованием стабильного самовозобновляющегося сообщества, находящегося в равновесии с физической средой. Состояние устойчивого равновесия климаксного сообщества проявляется в способности его возвращаться в исходное состояние после кратковременных внешних воздействий, а также в способности противостоять этим воздействиям.

Если сукцессия происходит естественным образом и вызвавшие её причины не связаны с тем или иным видом деятельности человека, то она называется природной сукцессией. Если же изменения в биогеоценозе обусловлены деятельностью человека, то в этом случае говорят об антропогенной сукцессии.