8. Эколого-экономические аспекты концепции устойчивого развития. Концепция устойчивого развития России.
9. Экологический мониторинг ОС, его цели и задачи. Виды мониторинга.
10. Использование ГИС (геоинформационных систем) для мониторинга компонентов окружающей среды.
11. Экологическая экспертиза.
12. Экологическое аудирование.
13. Экологические проблемы развитых и развивающихся стран.
14. Основы экологического права и международное сотрудничество в области охраны ОС.
15. Экологические кризисы, катастрофы, бедствия.
16. Ущерб окружающей среде и человеку от антропогенного воздействия и подходы к его определению.
17. Особо охраняемые природные территории (ООПТ) и их роль в сохранении биоразнообразия.
18. Экология и здоровье населения. Экологические проблемы отдельных регионов России.
19. Воздействие различных видов транспорта на ОС.
20. Воздействие на биосферу физических факторов (электромагнитные поля, инфразвук, акустическое загрязнение, тепловое загрязнение, вибрации).
21. Радиоактивное загрязнение ОС.
22. Запасы основных видов природных ресурсов мира и тенденции их изменения.
23. Запасы основных видов природных ресурсов России и тенденции их изменения.
24. Глобальные круговороты основных биогенных элементов.
25. Общие фундаментальные принципы и законы экологии.
26. Экологические факторы окружающей среды.
27. Экологические принципы рационального использования природных ресурсов.
28. Мировые центры стабилизации и дестабилизации окружающей среды.
29. Основные наземные экосистемы Земли.
30. Основные водные экосистемы Земли.
31. Глобальные экологические проблемы.
32. Эколого-экономические аспекты использования промышленных и бытовых отходов.
33. Юридическая и экономическая ответственность предприятий, загрязняющих ОС.
34. Концепции и глобальные модели будущего мира. Роль экологического фактора.
35. Экологическая доктрина России.
КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ
Введение
Предмет экологии структура современной экологии
Термин «экология» – от греч. о ikos – дом, жилище, убежище – ввел немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1866 г., назвав экологией науку о «домашнем быте организмов». В то время слово «эко» уже было составной частью термина «экономика», который обозначал науку о ведении домашнего хозяйства. В определении Э. Геккеля под экологией следует понимать «экономику природы», то есть «…одновременное исследований всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами природы…». Однако до Э. Геккеля идея экологии «носилась в воздухе» более 2000 лет, находя отражение в трудах виднейших естествоиспытателей. Рассмотрим основные этапы развития экологии (табл.).
Таблица 1.
История становления экологии
(Присный, 1999)
Этап
Имена ученых
Направления исследований,
Важнейшие обобщения
1
2
3
Античный, IV-III вв. до н.э.
Аристотель, Теофраст, Эмпедокл
Описание растений и животных в их среде обитания, с особенностями и повадками.
Формирование теоретических основ экологии (XVI-XIX вв.)
А. Цезальпино, Дж. Рей, Ж. Турнефор, К. Линней, А. Реомюр, Л. Трамбле, Ж. Бюффон, С.П. Крашенинников, П.С. Паллас, И.Г. Гмелин, Г.В. Стеллер, И.И. Лепехин и др.
Описание видов, изучение их многообразия и закономерностей распространения.
Среда является фактором, определяющим распространение организмов и развитие их жизненных форм.
К. Бернар, Г. Гельм-Гольц, И.М. Сеченов, К. Людвиг, Ю. Либих, Ж.Б. Буссенго, А. Гумбольдт, А.Ф. Миддендорф, А.Н. Бекетов и др.
Изучение общеорганизменных процессов у растений и животных.
Внутриорганизменные процессы связаны с внешними воздействиями.
М. Шлейден, Т. Шванн, К. Бэр, Э. Страсбургер, В. Флеминг и др.
Формулировка клеточной теории и изучение механизмов развития.
Среда детерминирует индивидуальное развитие организмов.
Продолжение табл. 1
1
2
3
Ж. Бюффон, Ж.Б. Ламарк, Ж. Сент-Илер, Ж. Кювье, Ч. Дарвин и др.
Обоснование устойчивости и исторического развития организмов.
Среда является фактором исторического развития организмов; живые организмы трансформируют среду своего обитания.
К.Ф. Рулье, Э. Геккель
Обоснование и выделение новой естественной науки – экологии.
Оформление основных научных "экологических школ" (первая половина XX в.)
Россия
Алехин В.В.
Ритмика сообществ организмов
Формозов А.Н., Северцов С.А., Наумов Н.П.
Зооэкология
Сукачев В.Н.
Сукцессии биогеоценозов
Кашкаров Д.Н
Эколого-фаунистические исследования
Коржинский С.И., Л.Г. Раменский, Гордагин А.Я.
Фитоценология (геоботаника)
Англия
А. Тэнсли
Учение об экосистемах
Ч. Элтон
Популяционная экология
Германия
В. Тишлер
Сельскохозяйственная экология
Дания
Х.Раункиер
Фитоценология
США
Ф. Клементс
Смена фитоценозов
А.Лотка, Л.Линдеман
Трофико-энергетическое направление в изучении экосистем
С момента появления и долгое время экология считалась биологической наукой. Это понятно, так как область основных интересов экологии относится к биологическим системам организменного и надорганизменных (вплоть до биосферы) уровней организации живого вещества Земли. Однако в настоящее время экология занимает собственное место среди естественных наук и имеет тесные связи с гуманитарными науками (социологией, экономикой, культурологией и др.). Сейчас говорят об экологизации природопользования, экологической политике, экологическом образовании и воспитании, экологической культуре, экологическом мировоззрении в целом. Таким образом, экология – это междисциплинарное направление.
В наиболее простом (исходном) варианте определения экологии ее предметом можно обозначить взаимоотношения организмов (и систем надорганизменного уровня) с окружающей (абиотической, биотической и антропогенной) средой. Учитывая парадигму системного подхода в современном естествознании, экологию можно определить как науку о структуре и функционировании экологических систем различного ранга.
В предмете экологии можно выделить 3 аспекта (рис. 1)
Предмет экологии
Организмы в их отношениях с окружающей средой
Среда обитания
Общие законы функционирования экосистем
Биоэкология
Средология
(энвироника)
Общая экология
М Е Г А Э К О Л О Г И Я
Рис. 1. Составные части предмета экологии
В условиях экологического кризиса конца XX – начала XXI века фундаментальной задачей экологии стал поиск путей оптимизации взаимоотношений человечества и Природы. В решении экологических проблем традиционного биоэкологического подхода недостаточно. Поэтому современная экология включает ряд «пограничных» направлений, использующих методы смежных естественных и даже гуманитарных наук. Среди таких пограничных направлений с точки зрения разработки путей выхода из экологического кризиса фундаментальное значение имеют геоэкология и социальная экология. Геоэкология рассматривает закономерности пространственно-временной организации природных и интегральных (природно-антропогенных) геоэкосистем. Социальная экология изучает особенности взаимодействия общества и Природы, ищет пути гармонизации этих отношений.
Многообразие междисциплинарных связей экологии с другими науками порождает многообразие способов отражения структуры современной экологии. На рис. 2 показан один из вариантов структуры и междисциплинарных связей экологии.
КУЛЬТУРА
экософия;
экологическое право;
экологическое образование
и воспитание
ГЕОГРАФИЯ
геоэкология
ЯДРО
ОБЩАЯ
ЭКОЛОГИИ
социальная экология
СОЦИОЛОГИЯ
аутэкология
(экология особи,
организма);
популяционная экология;
синэкология
(экология сообществ
организмов);
экология систематических групп организмов
(например, зооэкология, экология растений и т.п.);
биогеоценология;
биосферология
(глобальная экология)
ЭКОЛОГИЯ
инженерная экология;
сельскохозяйственная экология;
промышленная экология;
рекреационная экология;
медицинская экология
ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ
Рис. 2. Структура и межпредметные связи современной экологии
Если включить в мегаэкологию все разделы современного естествознания и человекознания, которые связаны с экологической проблематикой, то окажется, что почти вся современная наука должна входить в экологию. Уровень осознания роли экологии человечеством позволяет считать, что главной его задачей на ближайшую перспективу является разработка экоцентрического императива, как стиля жизни, деятельности и мышления людей. Здесь особенно важны гуманитарные направления экологии, формирующие так называемую «экологию духа».
Сущность экологического подхода в целом заключается в расчленении изучаемого объекта на две подсистемы: «организмы» и «окружающая среда», с последующим исследованием взаимоотношений этих подсистем. Таким образом, экологический подход – это разновидность системного подхода. Методологию любой науки можно представить в виде системы общенаучных и специальных методов. В отношении экологии эта система будет иметь следующий вид (рис. 3)
Методы экологии
Общенаучные
Специальные
Теоретические
Эмпирические
Экологическое моделирование
анализ и
синтез
наблюдение
(имитация экологических явлений с помощью лабораторных, логических, математических или натурных моделей)
дедукция и индукция
эксперимент
Экологический мониторинг
(система наблюдений, оценки, контроля и прогноза состояния окружающей среды)
Рис. 3. Классификация методов экологии
К специфическим методам, используемым экологией, относятся математические, физические, химические методы, методы медицины, географии, геологии, а также ряда общественных наук: экономики, социологии, демографии, истории и др.
Особую роль играют методы информатики, компьютерные технологии, используемые в обработке и накоплении данных, экологическом моделировании и прогнозировании.
Тема 1. Основные понятия, законы и принципы экологии
Генетически разнородные организмы обитают и взаимодействуют в разнообразном и непрерывно изменяющемся мире. В биосферу – глобальную экологическую систему Земли, обязательно входит часть неживой природы, которая формирует условия существования живых организмов и на которую направлено их воздействие.
Среда обитания – та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Среда – это и физические свойства пространства (температура, освещенность, давление, уровень радиации, различные поля), и химические свойства и состав веществ, и живые организмы своего и «чужих» видов, с которыми данный организм взаимодействует. В социальной экологии используется термин «окружающая среда» – совокупность природных и социальных условий, окружающих человека.
Влияние среды на организм осуществляется через воздействие ее компонентов – экологических факторов. Экологический фактор – любой элемент среды, способный оказать прямое или косвенное воздействие на организм. Все многообразие экологических факторов принято классифицировать (рис.) на факторы неживой природы (абиотические), факторы живой природы (биотические) и факторы, связанные с деятельностью человека (антропогенные). Выделение последней группы обосновано значительным изменением деятельностью людей параметров окружающей среды. Человек, как биологический вид, сам по себе может быть отнесен к группе биотических факторов, но материальные основы современной цивилизации представляют новую, чуждую природе совокупность факторов.
Экологические факторы
Абиотические
Биотические
Антропогенные
Климатические (свет, влажность, давление и др.)
Внутривидовые
средовые
пищевые
половые
Географические (рельеф, природные барьеры – реки, ледники и т.п.)
Межвидовые
средовые
пищевые
Эдафические (свойства почв, субстратов)
Действие экологических факторов подчиняется ряду закономерностей. Первым в экологии был сформулирован закон минимума – немецким химиком Ю. Либихом в 1840 г. При исследовании действия удобрений на продуктивность культурных растений Ю. Либихом было установлено, что урожай (его величина и устойчивость во времени) определяется питательным веществом, находящемся в почве в минимальном количестве. Недостаток хотя бы одного жизненного ресурса становится фактором, ограничивающим (лимитирующим) жизнедеятельность организмов. Так, недостаток витаминов в зимний период серьезно снижает иммунитет нашего организма. Общеизвестно действие йодной недостаточности (нарушение деятельности щитовидной железы, в результате – быстрая утомляемость, сонливость). Для травоядных млекопитающих, питающихся пищей, бедной натрием, крайне необходимо наличие в данной местности солонцов и других источников натриевых солей.
Позднее было установлено (Ф. Блекманом), что не только минимальное, но и максимальное воздействие какого-либо фактора среды действует угнетающе на организмы. Например, микроэлемент хром необходим растениям для нормального развития, его недостаток снижает урожай. Но в зоне промышленного загрязнения он при высоком содержании в почве оказывает токсическое воздействие на растения, относится к группе тяжелых металлов. Таким образом, согласно закону лимитирующего фактора, экологические факторы, присутствующие как в недостатке, так и в избытке (по отношению к оптимальным требованиям организма), ограничивают или прекращают его развитие и даже существование.
Наилучшее состояние организма наблюдается при интенсивности действия фактора, близкой к оптимальному для данного вида организмов уровню. Каждый вид имеет пределы выносливости (толерантности) к действию какого-либо фактора. Эта закономерность получила название закона толерантности, установленного В. Шелфордом. Согласно данному закону, каждый фактор характеризуется зоной оптимальных значений для данного вида организмов и имеет пределы положительного влияния. Законы толерантности и лимитирующего фактора можно проиллюстрировать следующей схемой (рис. 4). Образно говоря, эти законы действуют «с разных сторон» по отношению к зоне толерантности организма.
Рис. 4. Толерантность организмов к действию экологического фактора
(закон В. Шелфорда)
Организмы имеют разные пределы выносливости. Более выносливые к действию факторов среды обитания организмы распространены шире. К их числу относятся многие синантропные, т.е. живущие рядом с человеком виды. Приспособление (адаптации) к действию неблагоприятных факторов расширяют зону выносливости организма. Примером может быть привыкание насекомых-вредителей к действию высоких доз ядохимикатов, что требует разработки новых, более сильных препаратов.
Безусловно, факторы воздействуют на организм не изолированно, а в совокупности. При этом действие одного фактора (или группы факторов) может усилить или ослабить эффект действия другого фактора (или группы факторов). Например, действие отрицательных температур зимнего периода на птиц может быть скомпенсировано обилием корма. Недостаток света для растений компенсируется обилием углекислого газа. Примером взаимного усиления действия факторов может быть одновременное охлаждающее воздействие ветра и низких температур. Эффект антропогенного загрязнения атмосферного воздуха может быть усилен неблагоприятными климатическими условиями, в итоге может возникнуть такое явление, как смог. Совместный выброс токсических веществ, обладающих взаимно усиливающим (кумулятивным) действием (например, оксиды азота и диоксид серы), может резко ухудшить качество атмосферного воздуха.
Приведенные примеры иллюстрируют правило взаимодействия и компенсации факторов: все экологические факторы действую совместно, и могут либо усиливать, либо компенсировать действие друг друга.
Особый интерес представляет ответ на вопрос, действуют ли в отношении человечества лимитирующие факторы? По мнению Ю. Одума (1975) главным лимитирующим фактором является количество и качество пригодной для жизни людей среды. На одного человека требуется, по разным оценкам, от 1 до 5 га пригодных для проживания земель (сейчас – менее 2 га). Для производства полноценного питания требуется около 0,6 га сельскохозяйственных угодий на одного человека. При этом для сельского хозяйства пригодно только 24 % суши. Еще 0,4 га/чел. требуется для производства волокна, бумаги; 0,6 га/чел. необходимо для дорог, зданий и т.п. Здесь есть над чем задуматься.
Функциональными единицами биосферы Земли являются экологические системы различных типов и рангов. Ключевую роль в этих системах играют живые организмы, однако их жизнедеятельность невозможна без совокупности абиотических условий среды.
Совокупность (сообщество) живых организмов разных видов, взаимодействующих друг с другом и приспособленных к совместному обитанию в определенных условиях среды, называется биоценозом (от греч. «bios» – жизнь и «koinos» – общий).
В биоценозе взаимодействие происходит между отдельными особями разных видов организмов, но эти взаимодействия конечны – заканчиваются с гибелью особи. Поэтому основу взаимоотношений организмов в биоценозе составляют взаимоотношения между популяциями. Популяцией (от лат. «populus» – население) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область, называемую ареалом. Популяции растений в данном биоценозе образуют фитоценоз, популяции животных – зооценоз, популяции микроорганизмов – микробиоценоз. Границы биоценоза определяются, чаще всего, фитоценозом.
Биоценоз занимает определенное пространство, называемое биотопом (от греч. «topos» – место). Это пространство формирует среду биоценоза, хотя само в значительной мере преобразовано им. Вспомним, например, биотоп хвойного леса со свойственным ему микроклиматом. Взаимодействие живых организмов между собой и средой обитания проявляется в обмене веществом, энергией и информацией.
В совокупности биоценоз и биотоп формируют экологическую систему – безразмерную устойчивую систему живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ. Термин «экосистема» был введен английским экологом А. Тенсли в 1935 г. Несколько позднее (в 1942 г.) советским экологом В.Н. Сукачевым был предложен термин «биогеоценоз», который в отличие от экосистемы, характеризует более четкую «привязку» определенного биоценоза к определенной территории с совокупностью ее абиотических условий. Экосистемы, еще раз подчеркнем, выделяются в пространстве лишь по критерию определенной завершенности обмена (круговорота) веществ между организмами и средой. То есть, любой биогеоценоз является экосистемой, но не любая экосистема может считаться биогеоценозом. Если речь идет о конкретном сообществе, занимающем определенную территорию, предпочтительнее использовать термин «биогеоценоз».
Как и живые организмы, экосистемы развиваются: появляются при заселении организмами свободных территорий, достигают зрелого состояния, деградируют, заменяясь другими экосистемами. Такое изменение – развитие и смена экосистем называется экологической сукцессией (от лат. «successio» – преемственность). В ходе сукцессии возрастает устойчивость экосистем, увеличиваются их продуктивность, биоразнообразие (разнообразие видов). Следует отметить, что увеличение биоразнообразия является фактором, повышающим устойчивость экосистем: чем больше видов организмов в экосистеме, тем больше между ними связей, тем полнее используется вещество и энергия. Каждая природная экосистема, достигшая зрелого (климаксного) состояния, представляет собой целостное образование, устойчивость которого определяется сбалансированным взаимодействием компонентов. Нарушение этого взаимодействия, связанное с внутренними или внешними причинами (например, антропогенным воздействием) приводит к дестабилизации экосистем и их деградации.
С точки зрения охраны природы фундаментальное значение имеет закон экологического равновесия. Этот закон гласит: природные экосистемы развиваются, переходя в состояние экологического равновесия между биотическими и абиотическими компонентами. В этом состоянии экосистемы могут находиться неограниченно долго.
Существует определенный порог устойчивости экосистемы, и если внешнее воздействие не превышает этот порог, то равновесие в экосистеме смещается таким образом, что эффект воздействия снижается. Это принцип Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Этот принцип учитывается при разработке предельно допустимых нагрузок (ПДН) на природные экосистемы. Важно, чтобы антропогенное воздействие не превышало порог устойчивости экосистем.
В устойчивой экосистеме большое количество энергии тратится на поддержание ее структуры (правило максимума энергии поддержания зрелой экосистемы). Поэтому зрелые экосистемы, например вековые дубовые леса, менее продуктивны, по сравнению с молодыми экосистемами (осинниками, кленовниками). Если пытаться повысить продуктивность зрелых экосистем, то их устойчивость будет снижаться, так как еще больше энергии будет тратиться на поддержание структуры. Оптимальная эффективность функционирования устойчивых экосистем всегда меньше максимальной эффективности. Это следует учитывать в управлении природными экосистемами.
Острой экологической проблемой является постоянное снижение биоразнообразия живого населения Земли, в связи с чем устойчивость экосистем планеты снижается. Человек, пытая получить максимальный урожай, создает и поддерживает монокультуры – одновидовые сообщества культурных растений, устойчивость которых очень низка. Без постоянного ухода искусственные экосистемы быстро деградируют, урожай их падает. Поддержание устойчивости жизни на Земле возможно только через сохранение биоразнообразия. Это положение следует из закона необходимого разнообразия: система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровни.
В настоящее время в экологии сформулировано более 50 общих законов функционирования экологических систем. Однако из этого множества законов можно сделать ряд выводов, характеризующих состояние системы «человек – природа».
1. Закон бумеранга: все, что извлечено из биосферы человеческим трудом, должно быть возвращено ей. В первую очередь речь идет о восстановлении антропогенно нарушенных территорий, рекультивации и экологической реставрации экосистем.
2. Закон незаменимости биосферы: биосферу нельзя заменить искусственной средой («техносферой»). Уровень сложности биосферы на порядки превышает сложность искусственных экосистем, мощности даже самых современных информационных центров недостаточно, чтобы контролировать потоки информации, свойственные биосфере.
3. Закон убывающего естественного плодородия: повышение вложений в урожай не дает адекватного увеличения продуктивности (из-за высокого рассеяния вещества и энергии простыми агроэкосистемами), а при отсутствии вложений происходит истощение естественного запаса плодородия.
4. Закон шагреневой кожи: глобальный природно-ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается, никаких принципиально новых ресурсов, которые могут появиться, нет. Наиболее дефицитными являются минеральные ресурсы, которые относятся к группе невозобновимых (рудные полезные ископаемые).
Можно также выделить ряд принципов, характеризующих отношения человека и природы. Их следует учитывать и бороться с их проявлением.
1. Принцип неполноты информации: заранее нельзя предвидеть все последствия любого преобразования природы. Это связано с возникновением цепных реакций в экосистемах из-за наличия множества связей между компонентами. Современные методы экологического моделирования и прогнозирования строятся, зачастую, на упрощенных моделях, в которых не учитывается все множество связей в реальных экосистемах.
2. Принцип обманчивого благополучия: неблагоприятные последствия появляются неожиданно, в момент увлечения успехом от преобразования природы. Наиболее «процветающие» индустриальные государства первыми сталкиваются с решением серьезных экологических проблем.
3. Принцип удаленности события: людям свойственно думать, что их потомки что-нибудь придумают для предотвращения возможных отрицательных последствий. Современная цивилизация уже давно «живет в долг» будущим поколениям. Многие технологические решения экологических проблем позволяют лишь отодвинуть кризис в будущее. Примером может быть захоронение ядерных отходов в могильниках, рассчитанных на тысячи лет эксплуатации.
В книге «Замыкающийся круг» Б. Коммонер (1974) переложил ряд законов и принципов экологии на обиходный язык и сформулировал 4 «закона» экологии:
1. Все связано со всем.
2. Все должно куда-то деваться.
3. Природа «знает лучше».
4. Ничто не дается даром.
Все приведенные законы и принципы экологии можно резюмировать следующим образом: эксплуатируя природные экосистемы, нельзя переходить некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойство самоподдержания, т.е. необходимо максимально сохранять экологическое равновесие.
► Для закрепления теоретического материала рекомендуется выполнить практическую работу 1
Тема 2. Экологические системы, их организация и функционирование
Как уже было отмечено, экологические системы представляют собой безразмерные образования, в которых единство живых организмов (биоценоза) и среды их обитания (биотопа) проявляется в постоянном круговороте вещества, обмене энергией и информацией. Базовое значение для обеспечения потока вещества и энергии в экосистеме имеют пищевые (трофические) отношения организмов.
По способу питания организмы могут быть автотрофными (буквально – самостоятельно питающимися) и гетеротрофными (питающимися за счет других). Первые продуцируют органическое вещество из неорганических соединений (углекислый газ, вода), используя определенный источник энергии, например, энергию света (фотоавтотрофы, преимущественно зеленые растения) или химических реакций (хемоавтотрофы – некоторые бактерии). Эту группу организмов называют продуцентами. Они обеспечивают веществом и энергией другие организмы, которые используют готовое органическое вещество в живом виде (консументы – животные) или в виде отмершей органики (редуценты – грибы, бактерии). Среди консументов выделяют травоядных – консументов первого порядка и плотоядных – консументов второго (и третьего – для более крупных хищников) порядка. Организмы, ведущие паразитический образ жизни, как правило, не играют большой роли в биологическом круговороте, поэтому их рассматривают либо отдельно, либо относят к соответствующей группе консументов. Организмы – редуценты замыкают биологический круговорот: разрушая мертвое органическое вещество, образуемое продуцентами и консументами, они возвращают элементы минерального питания в доступном для продуцентов виде.
Структуру экосистемы также хорошо иллюстрирует экологическая пирамида (рис. 5). В ней прямоугольниками разной ширины обозначаются трофические уровни – совокупность организмов, сходных по способу питания. Нижний, наиболее широкий уровень формируют продуценты. Их общая биомасса и запас энергии больше, чем у консументов, которые образуют 2-3 трофических уровня.
Четвёртый трофический уровень
Третичные консументы
Третий трофический
уровень
Вторичные консументы
Второй трофический уровень
Первичные
консументы
Первый трофический уровень
Первичные
продуценты
Рис. 5. Схематическое изображение функциональной структуры экосистемы:
Пищевые отношения в биоценозе рассматривают, используя понятие о трофических цепях (цепях питания) – последовательности питающихся друг другом организмов. Цепи питания, если они начинаются с живого органического вещества (обычно растительного), называются пастбищными. Пример пастбищной пищевой цепи: клевер – косуля – волк. Пастбищные цепи питания преобладают в травянистых, водных экосистемах. В лесных экосистемах преобладают трофические цепи, начинающиеся с мертвого органического вещества – детритные цепи. Пример такой цепи: опавшие листья – дождевой червь – дрозд – ястреб-тетеревятник. Совокупность пищевых цепей в экосистеме называется трофической сетью. Пример трофической сети лесной экосистемы приведен на рис.
Рис. 6. Трофическая сеть широколиственного леса
Итак, самым общим признаком экосистемы является взаимодействие автотрофных и гетеротрофных организмов, а пищевые отношения играют наиболее важную роль в поддержании целостности экосистем.
Продуцирование органического вещества обеспечивается преимущественно процессом фотосинтеза:
Углекислый газ + вода
энергия света,
хлорофилл
Органическое вещество + кислород↑
Этим же процессом поддерживается газовый состав атмосферы. Около 300 млн. лет назад экосистемы земли производили избыточное количество органической продукции. Биомасса продуцентов, захороненная в толще горных пород, трансформировалась в залежи каменного угля, месторождения нефти и газа.
В нормально функционирующей экосистеме продуцирование органического вещества сбалансировано его потреблением и разложением. Человек существенно смещает этот баланс: вырубая леса, сжигая ископаемое топливо и возвращая природе органические вещества в трудноразлагаемом виде (синтетические органические вещества).
Экосистемы способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя равновесие. Эта способность обеспечивается согласованной работой всех звеньев экосистемы на уровне отдельных популяций и биоценоза в целом. Например, при попадании в водоем сточных вод происходит размножение мелких водных организмов – планктона (растительный планктон использует неорганические компоненты – соединения азота, фосфора, серы, калия, кальция, а животный планктон использует для питания органические компоненты сточных вод). Затем происходит размножение рыб, которые питаются планктоном, становится больше личинок комаров и стрекоз. Расширение кормовой базы стимулирует размножение хищных видов рыб, а затем млекопитающих и птиц, питающихся рыбой. Происходит увеличение численности раков, питающихся мертвой рыбой. В конце концов, компоненты сточных вод оказываются полностью использованными, происходит «самоочищение» водоема. К сожалению, масштабы сбросов сточных вод современными городами и предприятиями часто превышают способность водных экосистем к самоочищению.
Со свойством саморегулирования связано свойство устойчивости экосистем. Чем сложнее экосистемы, тем они устойчивее. Даже антропогенные экосистемы с относительно высоким биоразнообразием (например, огороды) оказываются более продуктивными, чем поля монокультур.
Экологические системы относятся к открытым системам, так как получают энергию извне (от Солнца) и используют химические соединения из земной коры.
Поток энергии в экосистеме имеет однонаправленный характер: от солнца àк растениям à к растительноядным животным (фитофагам) à к плотоядным животным (зоофагам) à к редуцентам. При этом энергия постоянно теряется (согласно 2-му закону термодинамики). Растения усваивают около 1 % энергии света, достигающей земной поверхности, животные каждого трофического уровня – около 10 % предыдущего. Эта закономерность известна как правило 10 % (правило Р. Линдемана): на каждый следу
2019-12-29
257
Обсуждений (0)
Методы экологии
Экологические факторы
хлорофилл
