Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь  


Глава III. организм и среда обитания




Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Глава I. Биосфера.

1.1. ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА.

 

Экология (от греч. «ойкос» - дом, жилище и «логос» - учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой.

Предметом экологии является совокупность, или структура, связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, то есть единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в области ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, то есть совокупностей особого вида (популяционно-видовой уровень), и биосферы в целом (биосферный уровень).

Основной традиционной частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо).



В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

§ аутэкология, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей средой;

§ популяционную экологию (демоэкологию), в задачи которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;

§ синэкологию (биоценологию) – изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства – изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы, и так далее.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, то есть различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.

Соответственно более широкое толкование получал и сам термин «экология», а экологический подход при изучении взаимодействия человеческого общества и природы был признан основополагающим.

Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экологи, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема.

В настоящее время появились и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе «человеческое общество - природа», и ее части – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

Современная экология тесно связанна с политикой, экономикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, так как только в союзе с ними возможно преодолеть технократическую парадигму мышления и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.

Таким образом произошло разделение эклоги на теоретическую и прикладную

Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Из приведенных выше понятий и направлений следует, что задачи экологии весьма многообразны.

В общетеоретическом плане к ним относится:

§ разработка общей теории устойчивости экологических систем;

§ изучение экологических механизмов адаптации к среде;

§ исследование регуляции численности популяций;

§ изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

§ исследование продукционных процессов;

§ исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;

§ моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие:

§ прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий деятельности человека для окружающей среды;

§ улучшение качества окружающей среды;

§ сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

§ оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосфера.

Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего и, «возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса» (Ф. Дре, 1976 г.)

 

1.2. Понятия биосферы и ее структура.

 

«Биосфера» (от «био» и греч. Shair – шар), «Ноосфера» (от греч. Noos – разум и «сфера»)

Однако прежде чем всего рассматривать концепцию Вернадского, коротко воспроизведем историю самого понятия и термина биосфера.

Сам В.И. Вернадский ссылается на французского биолога Жана Батиста Ламарка (1744–1829 гг.), заметив, что он дал нам представление «о роли биосферы в истории нашей планеты». Однако Ламарк не пользовался термином биосфера и в своем труде «Гидрология» (1802 г.) говорил лишь о том что « все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов».

Эту идею разделяли многие ученые 18–19 вв. Например, немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольдт (1769–1859 гг.) в своих «Картинах природы» (1826 г.) ввел понятие «Жизненная среда», под которой понимал специфическую оболочку Земли, где в единую целостную систему объединены, атмосферные, морские и континентальные процессы, а также весь органический мир.

За миллиарды лет лик Земли сильно изменился. Установлено, что эволюция земной поверхности особенно быстро протекала со времени возникновения жизни. Геохимическая роль жизни проявляется в поддержании в равновесном состоянии газового состава атмосферы, состава морских и пресных вод, во влиянии на климат и плодородие почв.

Совокупность всех экосистем Земли представляет собой большую экологическую систему - БИОСФЕРУ. Экосистемы являются элементарной структурой биосферы.

Начиная с Ламарка, в науке появилось представление о существовании на нашей планете некоего пространства, охваченного жизнью, и его же создаваемого. А из всех терминов предложенных для обозначения этого пространства укоренился один - БИОСФЕРА, автором которого был Зюсс (1875 г.). Он, однако, сразу не дал полной расшифровки этого термина, ограничившись описанием биосферы как особого слоя, находящегося «между верхними слоями атмосферы и литосферы и неограниченного литосферой». Лишь позднее в книге «Лик Земли» (1909 г.), Зюсс описал биосферу как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени, и обитающих на поверхности Земли».

Однако и в этом случае Зюсс ничего не сказал о геологической роли биосферы и ее зависимости от планетарных факторов Земли. Впервые, идею о геологических функциях «живого вещества», представленного совокупностью всего органического мира в виде «единого нераздельного целого», высказал В.И. Вернадский в 1919 г. в «Записке о необходимости организации химического изучения организмов».

Большое влияние на становление Вернадского оказал его учитель- почвовед и агроном В.В. Докучаев (1880 г.) активно пропагандировавший идею о необходимости создания целостного учения о взаимозависимых изменениях органического мира, рельефа, вод, почв, осадочных пород, климата и наличием на планете живых организмов. Целостное учение о биосфере и протекающих в ней процессах, ее строение и функциях развито в 30-е годы советским геохимиком Владимиром Ивановичем Вернадским (1863–1945 гг.). Основы учения изложены в книге «Биосфера» (1926 г.).

Биосфера состоит из живого (биотического) и неживого (абиотического) компонентов. Совокупность всех живых организмов нашей планеты образует живое вещество биосферы. Основная масса живых организмов сосредоточена на границе трех геологических оболочек Земли: газообразной (атмосфера), жидкой (гидросфера) и твердой (литосфера). К неживым компонентам относится та часть атмосферы, литосферы и гидросферы, которая связана сложными процессами миграции веществ и энергии с живым веществом биосферы. Границы жизни на планете является одновременно и границами биосферы. Т.е, биосфера – часть геологических оболочек Земли, заселенная живыми организмами.

Что же характерно для биосферы как особой оболочки земногошара?

Во-первых, это область, в которой в значительном количестве имеется жидкая вода, во-вторых, на нее падает мощный поток энергии Солнца, в-третьих, в биосфере существуют поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состоянии.

И, наконец, в биосфере жизнь защищена озоновым экраном от жесткого ультрафиолетового излучения.

Литосфера – верхний каменный твердый слой Земли - составляет нижнюю сферу географической оболочки. На равнинах она имеет мощность 30–40 км, в горах – 50–60 км, а в пределах морей и океанов- 3–10 км. Литосфера состоит из слоя осадочных пород, ниже которых лежат гранитный и базальтовый слои. На суши плотно заселен и только тонкий слой: от десятков сантиметров до нескольких метров, но по трещинам, литосфера имеет сложное строение.

Верхний слой литосферы (2–4 км) называют литобиосферой, а поверхностный - почвой. Почва является важнейшим связующим звеном между биотическими и абиотическими компонентами наземных экосистем. В этом заключается особенная роль почвы в биосфере. Процесс образования почвы получил название почвообразование. Наука о почвах называется почвоведением.

Почвообразование – результат физического, химического и биологического преобразования горных пород. Она является трехфазной средой, содержащей твердые, жидкие и газообразные компоненты.

Выдающийся русский ученый Докучаев Василий Васильевич (1846–1903 гг.) впервые представил почву, как динамическую среду в своей классической работе «Русский чернозем». В.В.Докучаев выделил главные почвообразующие факторы – климат, геологическую основу (материнская порода), топографию (рельеф), живые организмы и время.

Все эти факторы относятся к экологическим факторам (факторам среды обитания).

Климатические факторы: свет, температура, вода и ветер.

Свет необходим для жизни, т. к. это источник для фотосинтеза (превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ), однако немаловажными являются и другие аспекты: интенсивность света, его качество и продолжительность освещения.

Температура так же как интенсивность света зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции.

Влажность и соленость. По способности переносить недостаток воды растения делятся на ксерофиты – растения с высокой выносливостью; мезофиты – со средней выносливостью; гидрофиты – с низкой выносливостью, приспособлены к избытку воды.

Водные организмы можно подразделить на пресноводные и морские – по степени солености воды, в которой они обитают кавернам, пустотам жизнь распространялась и в толщу земной коры до глубины 4 км на дне океанов (предел глубин, где обнаруживается жизнеспособные формы бактерии), где есть жидкая вода.

Атмосфера – это воздушная (газовая) оболочка – достигает мощности до 20 тыс.км. Она состоит из пяти слоев. Сфера жизни охватывает первый слой атмосферы – тропосферу и частично выходит в стратосферу.

В пределах тропосферы ограничивающими факторами служат излучение, недостаток влаги, кислорода и низкое парциальное давление.

Вероятно, на высоте выше 6200 м над уровнем моря хлорофиллоносные растения существовать не могут, хотя отдельные организмы встречаются и на большей высоте. В покоящемся состоянии (в виде спор, грибов, бактерий) организмы могут встречаться на высоте до 12–15 км.

В жидкой среде (гидросфере) ограничивающими факторами могут служить большое давление и отсутствие света, начиная с глубины 200 м. Несмотря на это, жизнь обнаруживается на глубинах до 11 км.

Ветер – постоянная циркуляция воздушных масс, энергию для которой поставляет Солнце. Результатом такой циркуляции является перераспределение водяных паров, итак как атмосфера захватывает их в одном месте (где вода испаряется), переносит и отдает в другом (где выпадают осадки).

Атмосферное давление с увеличением высоты, снижается парциальное давление кислорода, в этих условиях у растений выработалась адаптация для сохранения воды, напр. у альпийских растений.

Топография. Главным топографическим фактором является высота. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферно давление и концентрации газов. Все эти факторы влияют на растение и животных.

Горные цепи служат климатическими барьерами. Воздух, поднимается над горами, охлаждается, и часто выпадают осадки. На подветренной стороне гор выпадает меньше осадков, образуется дождевая тень, что влияет на экосистемы. Горы могут играть важную роль изолирующего фактора в процессе видообразования.

Важным топографическим фактором является крутизна склона. Для крутых склонов характерны смывание почв, поэтому здесь почвы всегда сухие, растительность маломощная. Если уклон превышает 30°, почва и растительность обычно не образуется.

В.И. Вернадский выделил в биосфере 7 геологически связанных типа веществ:

- живое вещество;

- биогенное вещество: горючие ископаемые минералы, т. е. продукты живого;

- косное вещество, образованное вне участия живых организмов;

- биокосное вещество, напр. почва;

- радиоактивное вещество;

- рассеянные атомы;

- вещества космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Между земной корой, гидросферой и атмосферой происходит взаимообмен веществом и энергией, который находит выражение, например, в тектонических движениях (землетрясение, вулканизм), общая мощность географических оболочек меняется от 80–90 км - в горных системах до 25–30 км - в океанах.

 

1.3. Живое вещество биосферы и его функции.

Самой активной формой материи во Вселенной по В.И. Вернадскому является живое вещество. По сравнению с массой Земли масса живого вещества незначительна. В настоящее время известно около 500тыс. видов растений, и около 1,5млн. видов животных (в т. ч. примерно 1млн. видов насекомых). Если собрать все население биосферы и размельчить его, то получим слой толщиной в лист бумаги. По расчетам специалистов в сырой массе это будет примерно 240 г/м². Если вещество высушить, то его масса будет еще меньше, т. к. 75–80 % приходится на долю воды. Несмотря на, малую массу, живое вещество, выполняя наиболее существенные функции, является самой важной энергетической частью биосферы.

В целом общая биомасса живого вещества на планете оценивается в 2423,2 млрд. т. сухой массы.

Несмотря на то, что гидросфера составляет около 71 % всей поверхности земного шара, основная масса живого вещества биосферы сосредоточена на контингентах (свыше 99,8 %).

На контингентах преобладают растения(99,2 %), в океане - животные (93,7 %). Живое вещество планеты сосредоточено преимущественно в зеленых растениях суши. Организмы не способные к фотосинтезу, составляют менее 1 %.

Приблизительно половина кислорода на Земле образуется в процессе фотосинтеза растениями суши (главным образом влажных тропических лесов), вторая половина - мельчайшими растениями гидросферы (фитопланктоном), хотя биомасса тех и других несопоставима между собой такое явление объясняется тем, что скорость продуцирования микроскопических растений во много раз выше, чем крупных наземных форм. В этом проявляется одна из общих биологических закономерностей: интенсивность процессов жизнедеятельности (питания, роста, обмена) выше у более мелких организмов. Поэтому при сравнительно небольшой биомассе (0,2 млрд т) величина их продуктивности близка величине продуктивности высших растений(биомасса 2400 млрд т).

Живые организмы, составляющие биосферу, взаимодействуют друг с другом, с солнечной энергией и с разнообразными химическими веществами, образующими атмосферу, гидросферу и литосферу. Эта совокупность живых и неживых организмов (биосфера), взаимодействующих друг с другом и со своей неживой средой обитания(энергией и химическими веществами), называется экосферой. Если представить себе всю Землю размером с яблоко, то экосфера была бы не толще яблочной кожуры.

 

1.4. круговороты веществ в биосфере.

Жизнь на Земле зависит в основном от 2-х фундаментальных процессов большого геологического и малого биологического круговоротов.

В природе при помощи солнечной энергии происходят геологический (большой) и биологический (малый) круговороты веществ в природе. Наиболее легко проследить геологический круговорот веществ в природе на примере воды (рис. 1).

 

Рисунок 1.

 

 

Примерно половина солнечного излучения, поступающего на Землю, тратится на испарение воды. С водной поверхности Земли воды испаряется гораздо больше, чем с суши. Осадков же выпадает больше над сущей, чем над водным пространством. Вода, попадает на землю, растворяет часть минеральных солей, выносит их в реки, озера и далее – снова в океан, уравнивая количество испаренной влаги и выпавших осадков. Таким образом совершается большой геологический круговорот веществ в природе.

 

Рисунок 2.

 

Энергия солнечного излучения преобразуется в органическую материю благодаря процессу фотосинтеза, в результате которого возникает биологический (малый) круговорот веществ в природе. На создание органического вещества затрачивается всего около 0,2 % поступающей на Землю солнечной энергии, и этого оказывается достаточно для воспроизводства растениями зеленной массы и выработки кислорода.

Образуемые зелеными растениями органические вещество служат пищей для других живых существ, а выделяемый кислород обеспечивает процессы дыхания. Таким образом, основу биологического круговорота веществ составляет энергия солнца и хлорофилл растений (рис. 2).

Сущность биологического круговорота – синтез и разрушение органических соединений, тогда как в геологическом круговороте осуществляется простой перенос минеральных веществ в виде механических частиц и водных растворов.

Все остальные круговороты – воды, углерода, азота – связанны с биологическим и способствуют ему.

Перемещение углекислого газа в биосфере Земли протекают в двух направлениях:

1) углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, образуя растительную массу, которая со временем перемещается в литосферу в виде угля, торфа, нефти, газа, горючих сланцев, осадочных горных пород;

2) растворяясь в водах Мирового океана, углекислый газ с помощью живых организмов либо химических реакций соединяется с кальцием и образует мощные толщи карбонатных пород.

Во втором случае углерода накапливается в 4 раза больше, чем заложено его в продуктах фотосинтеза.

В результате антропогенного воздействия содержание СО2 в атмосфере постоянно растет из-за сжигания горючих ископаемых, интенсификации, расширения масштабов сельскохозяйственного производства и вырубки лесов. Это приводит к нарушению баланса в природе между атмосферой, материками и океанами.

Атмосферный воздух содержит 78% азота, но азот химически мало активен, и поэтому круговорот азота в биосфере происходит замедленно. Фиксация атмосферного азота осуществляется азотофиксирующими бактериями и некоторыми видами сине-зеленых водорослей. Образующиеся нитраты становятся доступными для других растений. Например, клубеньковые бактерии, живущие на корнях растений семейства бобовых, производят биофиксацию азота в почве. В Мировом океане и почвенном покрове есть определенные микроорганизмы, которые расщепляют атмосферный азот (N2) и используют его атомы для построения органических соединений. Погибшие растения и животные возвращают азот в почву, откуда он вновь поступает в последующие поколения растений, а через них и в животных. Благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает в атмосферу.

Важным элементом протоплазмы клеток живых организмов является фосфор. Он совершает свой круговорот в биосфере, переходя из органических веществ в фосфаты, доступные растениям.

Круговорот фосфора происходит на суше и в океане. Фосфориты и апатиты – горные минералы, содержащие фосфор. Под действием выветривания атмосферных физических и химических факторов горные породы разрушаются. Продукты разрушения перемещаются водой, льдом, ветром. Фосфор переносится в низины и далее природными водами – в Мировой океан. Здесь фосфор переходит в состав фитопланктона. По пищевым цепям происходит перемещение и накопление фосфора в тканях морских животных. Морские птицы, животные доставляют соединения фосфора на сушу. Определенное количество фосфора попадает на сушу благодаря рыболовству.

Итак, между неорганической и органической материей на Земле существует неразрывная связь, постоянный круговорот веществ и превращение энергии из одной формы в другую. Круговорот веществ подчиняется закону сохранения вещества и энергией, т. к. каждый живой организм благодаря существующим цепям питания после окончания жизненного цикла возвращает в окружающую среду все, что взял из нее в течение жизни. Большая часть составляющих неживую природу атомов вновь возвращается в живое вещество, и лишь незначительная выбывает из жизненного цикла за пределы биосферы. Миграция атомов из организма в среду и наоборот не прекращается, ни на секунду и была бы невозможна, если бы элементарный химический состав организмов не был бы близок к химическому составу земной коры. Благодаря круговороту веществ и потоку энергии обеспечивается длительное существование жизни. В противном случае запасы необходимых веществ на Земле очень быстро были бы исчерпаны. Таким образом, круговорот является необходимым условием существования экологической системы планетарных масштабов биосферы.

К концепции биосферы В.И. Вернадский подошел после того, как установил роль и значение организмов в процессе геохимической миграции атомов. Это в свою очередь привело ученого к идее биогеохимических циклов элементов и связи планеты Земли с Космосом.

Жизнь на Земле возникла на основе круговорота органического вещества вследствие итого, что из него выделился биологический круговорот. Живое вещество, которое образовалось на Земле, вовлекало в круговорот все элементы ее поверхности. Так называемая «сфера жизни» явилась гигантским аккумулятором и универсальным трансформатором солнечной энергии. Благодаря ей осуществляется активная связь Земли с Космосом. Если бы на Земле не было жизни, не было биосферы, то работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и их временному накапливанию. Солнечная энергия не совершала бы на Земле сознательной деятельности, т. к. она не могла бы ни удерживаться на ней, ни преобразовываться в необходимую для этого форму.


Глава II. Экосистемы.

2.1. Экосистема: состав, структура, разнообразие.

 

При изучении основных понятий экологии мы выяснили, что термин – «Экосистемы» означает не что иное как «сообщество живых организмов и среды обитания, составляющее единое целое на основе пищевых связей и способов получения энергии». Термин ввёл Тэнсли в 1935 году. При изучении данной главы мы ознакомимся с «работой экосистемы», т. е. в общем виде с тем как живые организмы получают ту энергию, которая позволяет им жить и существовать в том сообществе, которое составляет единое целое – экосистему.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, и необходимо четко разграничить эти два понятия.

Энергия определяется, как способность совершать работу. Живые организмы нуждаются в энергии для поддержания жизни точно так же, как машины для того, чтобы работать. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют живые и неживые компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическими циклами.

Движущей силой этих круговоротов служит, в конечном счете, энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему, как показано на рисунке 3.

 

Рис. 3. Поток энергии и круговороты биогенных элементов в экосистеме

 

Необходимо отметить, что климатические факторы абиотического компонента, такие как температура, движение атмосферы, испарение и осадки, тоже регулируются поступлением солнечной энергии.

Для того, что понять, почему имеет место линейный поток энергии через экосистему, а не ее круговорот и повторное использование (как в случае питательных веществ), необходимо коротко рассмотреть некоторые термодинамические положения.

Энергия может существовать в виде различных взаимопревращаемых форм, таких как механическая, тепловая и электрическая энергия. Переход одной формы в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется законам термодинамики. Первый закон термодинамики, закон сохранения энергии,гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон утверждает, что при совершении работы энергия не может быть использована на все 100 % и часть ее неизбежно превращается в тепло. Тепло есть результат случайного движения молекул, тогда как работа всегда означает неслучайное (т. е. упорядоченное) использование энергии. Понятие «работы» приложимо к любому процессу, протекающему в живой системе с потреблением энергии, начиная от процессов на клеточном уровне, таких как поддержание электрических градиентов на мембране и синтез белков, и кончая процессами на уровне целого организма (рост, развитие, размножение).

Таким образом, живые организмы – это преобразователи энергии, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конце концов, вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Можно было бы подумать, что, поскольку и тепло способно совершать работу (например, в паровозе), то нет причин, которые мешали бы круговороту тепла. Однако процесс, производящий тепло, требует больше энергии, чем может быть возвращено путем вторичного использования этого тепла, поэтому в целом происходит все же потеря полезной энергии в системе. Фактически живые организмы не используют тепло как источник энергии для совершения работы – они используют свет и химическую энергию.

Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикой экосистем и так как это доминирующая тема в их изучении, нам важно познакомиться с единицами, используемыми для измерения энергии.

 

2.2. ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ И ТРОФИЧЕСКИЕ УРОВНИ

 

Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример: животное поедает растения. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов – каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем(греч. Trophos - питание). Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывает четыре или пять трофических уровней и редко больше шести.

Первичные продуценты. Первичными продуцентами являются автотрофные организмы, в основном зеленые растения, некоторые прокариоты, а именно сине – зеленые водоросли, и немногочисленные виды бактерий, которые тоже фотосинтезируют, но их вклад относительно не велик. Фотосинтетики превращают солнечную энергию (энергию света) в химическую энергию, заключенную в органических молекулах, из которых, построены их ткани. Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие бактерии, извлекающие энергию из неорганических соединений.

В водных экосистемах главными продуцентами являются водоросли – часто мелкие одноклеточные организмы, составляющие фитопланктон поверхностных слоев океана и озер. На суше большую часть первичной продукции поставляют более организованные формы, относящиеся к голосеменным и покрытосеменным. Они формируют леса и луга.

Первичные консументы. Первичные консументы питаются первичными продуцентами, то есть травоядные животные. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее важные группы травоядных млекопитающих – это грызуны и копытные. К последним относятся пастбищные животные (такие как лошади, овцы, крупный рогатый скот), приспособленные к бегу на кончиках пальцев.

В водных экосистемах (пресноводных и морских) травоядные формы представлены обычно моллюсками и мелкими ракообразными. Большинство этих организмов – ветвистоусые и веслоногие рачки, личинки крабов, усоногие раки и двустворчатые моллюски (например, мидии и устрицы) – питаются, отфильтровывая мельчайших первичных продуцентов из воды.

Консументы второго и третьего порядка.Вторичные консументы питаются травоядными; таким образом, это уже плотоядные животные,так же как и третичные консументы, поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками,и охотится, схватывать и убивать свою жертву, могут питаться падалью или быть паразитами. В последнем случае они по величине меньше своих хозяев.

Редуценты и детритофаги (детритные пищевые цепи).Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. Раньше мы рассмотрели примеры пастбищных цепей, в которых первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (термин «пастбищные» пользуется в широком смысле и включает все организмы, питающиеся растениями) и третий – хищники. Тела погибших растений и животных еще одержат энергию и «строительный материал» так же, как и прижизненные выделения, например, моча и фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами, а именно грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной.

Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, и многие мелкие животные (детритофаги) питаются им, ускоряя процесс разложения. Поскольку в этом процессе участвуют как истинные редуценты (грибы и бактерии), так и детритофаги (животные), и тех и других иногда называют редуцентами, хотя в действительности этот термин относится только с сапрофитным организмам.

В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающиеся другими организмами какого-то одного типа. Однако реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее, так как животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных пищевых цепей. Это в особенности относится к хищникам верхних трофических уровней. Некоторые животные питаются как другими животными, так и растениями, их называют всеядными (таков, в частности, человек). В действительности пищевые цепи переплетаются таким образом, что образуется пищевая (трофическая) сеть.

Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для графического представления этих взаимоотношений удобнее использовать не схемы пищевых цепей, а экологические пирамиды.При этом сначала подсчитывают число различных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням. После таких подсчетов становится очевидным, что численность животных прогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня к последующим. Численность растений первого трофического уровня тоже нередко превосходит численность животных, составляющих второй уровень. Это можно отобразить в виде пирамиды численности.

Для удобства количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, длина которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (или в данном объеме, если это водная экосистема).

Хищники, расположенные на высшем трофическом уровне, называются конечными хищниками. Существует ряд неудобств, связанных с использованием этих пирамид.

Неудобств, связанных с использованием пирамид численности, можно избежать путем построения пирамид биомассы, в которых учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня. Определение биомассы включает не только учет численности, но и взвешивание отдельных особей, так что это более трудоемкий процесс, требующий больше времени и специального оборудования.

Наиболее фундаментальным и в определенном смысле идеальным способом отображения связи между организмами на разных трофических уровнях служит пирамида энергии, обладающая рядом преимуществ:

1. Она отражает скорость увеличения биомассы в отличие от пирамид численности и биомассы, описывающих только текущее состояние организмов в отдельный момент времени. Каждая ступенька пирамиды энергии отражает количество энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период.

2. При одинаковой биомассе два вида совсем не обязательно содержат одинаковое количество энергии. Поэтому сравнение, основанное на биомассе, может в вести в заблуждение.

3. Пирамиды энергии позволяют сравнивать не только различные экосистемы, но и относительную значимость популяций внутри одной экосистемы, не получая при этом перевернутых пирамид.

4. К основанию пирамиды энергии можно добавить еще один прямоугольник, отображающий поступление солнечной энергии.

Существует несколько правил потребления энергии в экосистемах.

Правило одного процента: «изменение энергетики природных систем в пределах одного процента выводит природную систему из состояния равновесия».




Читайте также:
Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной...
Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ...
Как построить свою речь (словесное оформление): При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою...



©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (616)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.066 сек.)
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7