Биоритмы
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
САХАЛИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
ПО ЭКОЛОГИИ
Студентка IV курса ОЗО,
специальность
«экология»
Научный руководитель
Южно-Сахалинск
2012
Вопросы:
|
Вопрос 1. Биоритмы и их значение в жизни живых организмов.
Внимание человека всегда было привлечено повторяемости различного рода процессов и событий в природе. По непонятным пока законам ритмично регистрируются жестокие засухи, нашествия насекомых, вспышки болезней. С разными сроками повторяемости чередуются практически все явления природы. Еще в диалогах древнегреческого философа Сократа отражены представления о цикличности космических эр, смене космических и земных циклов. Цикличность просматривается на уровне клетки (фотосинтез, дыхание – цикл Кальвина, цикл Крепса), и на уровне биосферы (круговороты веществ и потоки энергии), то есть вся природа в своем развитии подчиняется определенным ритмам.
Обнаружение и раскрытие механизмов циклов явлений позволяет решить многие вопросы чисто биологического характера (лечение болезней), планирования использования хозяйственных ресурсов, организации мер борьбы с вредными насекомыми и т.д.
Природные ритмы, которым подчиняются жизненные процессы организмов
делятся на два типа.
- Внешние (циклические изменения в окружающей среде), имеющие геофизическую природу, так как связаны с вращением планет (световой режим, изменение температуры, и влажности воздуха по сезонам года, приливно-отливные ритмы, смены дня и ночи).
- Внутренние - это физиологические ритмы организма, и проявляются они на уровне клетки (в процессах дыхания, фотосинтеза), так и на уровне работы организма (циклическая работа сердца). Эта ритмика почти не поддается влиянию внешней среды и поэтому её называют эндогенной.
Все внутренние ритмы согласованы и определяют общую периодичность поведения организма через осуществление функций в определенном порядке. Организм как бы отсчитывает время, которое выступает как экологический фактор.
Многие изменения в жизнедеятельности организмов совпадают по периоду с внешними геофизическими циклами. Это адаптивные биологические ритмы: суточные, приливно-отливные, равные лунному месяцу, годовые. Так как адаптивные биологические ритмы возникли как приспособления животных к регулярным экологическим изменениям, то они отличаются от чисто физиологических ритмов.
Суточные ритмы характерны практически для всех организмов – от одноклеточных до человека. В организме человека более ста физиологических функций коррелируют и суточной периодичностью (сон и бодрствование, изменение температуры тела, ритмика работы сердца, глубина и частота дыхания, потоотделение). По смене периода сна и бодрствования животных делят на дневных (куры, лошади, многие насекомые) и ночных (ежи, летучие мыши, совы, тараканы). Многие животные являются полифазными, характеризуются чередованием коротких периодов сна и бодрствования. В эволюционном отношении эти циклы примитивны. Человек на первых этапах своей жизни полифазен (новорожденный ребенок ). Периоды активности могут быть приурочены к определённому времени суток, а могут сдвигаться на разное время суток, а могут сдвигаться на разное время в зависимости от температуры, влажности и т.д.
Эндогенные (внутренние) суточные ритмы от внешних (экзогенных) отличают экспериментально. При постоянстве внешних условий эндогенные ритмы сохраняются у нескольких поколений , становятся врожденными и называются циркадными (приближающимися к суточному ритму). Внешние ритмы регулируют продолжительность врожденных ритмов. Например, если петухов содержать в полной темноте, то вначале они сохраняют способность петь в определенное время суток одновременно, но вскоре каждый поет в свое время и пение петухов становится непрерывным. При этом каждая особь сохраняет суточный ритм.
Циркадные ритмы обусловливают стереотип поведения. Десинхронизация ритмов может иметь неблагоприятные последствия. Например, перемещение человека в долготном направлении вызывает расстройство его физиологических ритмов. Частые перемещения особо опасны и представляют угрозу для здоровья. Например, работа вахтовым методом и чередование с отдыхом в разных часовых поясах вызывает старение организма в два-три раза быстрее чем у работающего в одном поясе.
Приливно-отливные ритмы определяют периодичность освещения, изменения температуры, снижение кислорода в литорали. За лунные сутки (24, 8 часа) наблюдается 2 прилива и 2 отлива. Дважды в лунный месяц (новолуние и полнолуние) они достигают максимальной величины (сизигийные приливы). На время прилива устрицы закрывают створки, и если их поместить в аквариум, то они все равно периодически будут закрывать створки. Периодичность равная лунному месяцу (29, 4 суток), наблюдается у многих организмов. В определенные фазы луны происходит нерест червей палоло, роение комаров и поденок. Приспособительное значение этого явления пока еще не выяснено.
Годичные ритмы наиболее универсальны. С изменением физических условий в течени года связано размножение и миграции (у животных), цветение (у растений). Сезонные изменения вызывают глубокие сдвиги в физиологии и поведении организмов, ярко выражая их приспособительный характер: потомство появляется в благоприятное время года, а неблагоприятные периоды организм переживает в наиболее устойчивой фазе.
Четкость годичной периодичности проявляется в чередовании сезонных изменений (осенний листопад, линька, спячка, запасание жира). Годичные ритмы – эндогенные и называются цирканными (окологодичными). Это видно по времени размножения животных: в зоопарках северных стран южные животные размножаются зимой, соответственно периоду размножения на родине.
Следовательно, жизнедеятельность организмов тесно связана с характером природных явлений. Зная периодичность протекания природных явлений и корреляцию с ними природных процессов, можно успешно решать многие хозяйственные и медицинские проблемы.
Вопрос 2. Биоценозы. Структура и разнообразие биоценозов.
Популяции разных видов в природных условиях объединяются в системы более высокого ранга - сообщества и биоценоз.
Биоценоз (от греч. βίος — «жизнь» и κοινός — «общий»)
Термин (нем. Biocönose) введён Карлом Мёбиусом в 1877 году и обозначает организованную группу популяций растений , животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определенного объема пространства.
Любой биоценоз занимает определенный участок абиотической среды.
Биотоп - пространство с более или менее однородными условиями, заселенное тем или иным сообществом организмов. Территория без живых организмов называется экотоп.
Размеры биоценотических группировок организмов чрезвычайно разнообразны – от сообществ на стволе дерева или болотной моховой кочке до биоценоза ковыльной степи. Биоценоз – не просто сумма образующих его видов, но и совокупность взаимодействий между ними.
В пределах биоценоза различают фитоценоз – устойчивое сообщество растительных организмов, зооценоз – совокупность взаимосвязанных видов и микробиоценоз – сообщество микроорганизмов:
ФИТОЦЕНОЗ +ЗООЦЕНОЗ + МИКРОБИОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ
Рисунок 1. - Структура биоценоза
При этом в чистом виде ни фитоценоз, ни зооценоз, ни микробиоценоз не встречаются, как и биоценоз в отрыве от биотопа.
Биоценоз формирует межвидовые связи, обеспечивающие структуру биоценоза – численность особей, распределение их в пространстве, видовой состав и тому подобное, а также структуру пищевой сети, продуктивность и биомассу. Для оценки роли отдельного вида в видовой структуре биоценоза используют обилие вида – показатель, равный числу особей на единицу площади или объёма занимаемого пространства.
Биоценоз в совокупности с биотопом называется биогеоценоз.
Термин биогеоценоз предложил русский лесовед В.Н. Сукачев, который используется в отечественной литературе. Тенсли предложил термин «экосистема», который используется в англоязычных странах. Различий между ними практически нет, но считается, что экосистема - это более широкое понятие. Нельзя назвать биогеоценозом тайгу, так как в пределах тайги есть сосновые, еловые, пихтовые леса, расположенные на разных биотопах: на сопках, заболоченных участках, поймах рек. В то же время тайга – это экологическая система. То есть экосистема – понятие более «безразмерное».
По происхождению различают биоценозы:
- первичные - не подверженные влиянию человека (целинные участки степей, недоступные участки тайги, тропические и горные леса);
- вторичные – подверженные влиянию человека . Например, агроценозы в отличии от природных отличаются очень существенно, потому что как правило одновидовые. Они характеризуются более высокой продуктивностью. Получается продукция, которую нельзя получить в естественных фитоценозах. Но, агроценозы требуют больших энергетических затрат.
Давно замечено, что колебание численности зверей зависит от урожая растений. Устойчивость биоценозов в природных условиях поддерживается механизмом саморегуляции. Каждый вид организмов не может уничтожить другой полностью, а лишь может ограничить его численность в определенных пределах.
В любом биоценозе по функциональной направленности различают 3 группы организмов:
- Продуценты – по типу питания автотрофы (зеленые растения). Они создают всю органику на нашей планете. Стоят вначале пищевых цепей.
- Консументы (потребители) - все организмы питающиеся органикой созданной растениями или запасенной энергией у других животных. По типу питания все они гетеротрофы, т.е. питаются готовым органическим веществом.
- Редуценты (разлагатели, деструкторы, восстановители) - это организмы живущие за счет отмерших животных и растений. Получая энергию за счет поедания остатков, они выполняют работу по вовлечению отмершей органики в круговорот веществ.
Исходя из функциональной направленности, нельзя говорить о приоритетном направлении какой-то одной группы. Тем не менее, следует отметить, что без продуцентов не было бы ни консументов, ни редуцентов.
Только продуценты связывают солнечную энергию, которая и является основой существования всего живого.
Именно с учетом значимости всех организмов экосистемы ученые сейчас предлагают охранять не отдельные виды животных или растений, а целые биоценозы или ландшафты, так как сохранение комплекса организмов обеспечит сохранение каждого из них.
Видовая структура биоценоза – это разнообразие видов, которые его составляют, и соотношение их численности или массы. Полную видовую структуру выявить очень сложно, так как помимо растений и животных в биоценоз входит огромное число микроорганизмов не поддающихся учету.
Видовая структура определяется почвенно-климатическими условиями. В условиях одинакового климата, на одних и тех же почвах, но в разных зонах, биоценозы не похожи. Самые бедные фитоценозы в северных условиях, пустынях, особенно в солонцах. Молодые биоценозы бедны по видовому составу, а по мере развития он усложняется, так как биоценозы способны сами улучшать условия своего существования. Для всех биоценозов характерно наличие продуцентов, обеспечивающих органическим веществом живое население планеты. Но есть сообщества и без продуцентов, например, глубоководные морские биоценозы, куда не проникают лучи света, представлены гетеротрофами.
Для оценки роли отдельного вида в видовой структуре биоценоза применяют несколько показателей:
- обилие вида – число особей данного вида на единицу площади. Выражают этот показатель в баллах, процентах или в специальных показателях шкалы Друдэ. В этом случае доля вида обозначается специальными значками;
- степень доминирования – это отношение числа особей данного вида к общему числу особей всех видов, выраженное в процентах. Например, если учтено 200 особей разных видов, из которых 20 особей ландыша майского, то степень доминирования этого вида равна 10%. Естественно, что в любом биоценозе преобладают виды, представленные мелкими особями.
Виды преобладающие по численности называют доминантными. Однако среди них выделяют эдификаторы (строители) – виды, которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени формируют среду обитания, предопределяя существование других организмов. Именно они порождают спектр разнообразия в природе. Так, в еловом лесу доминирует ель, в смешанном – ель, береза, осина, в степи – ковыль и типчак. При этом ель в лесу наряду с доминантностью обладает сильными эдификаторными свойствами, выражающимися в способности затенять почву, создавать кислую среду своими корнями и образовывать специфические подзолистые почвы. Под пологом елей могут жить только тенелюбивые растения. Одновременно в нижнем ярусе елового леса доминантом может являться черника, но эдификатором она не является.
Увеличение видового разнообразия на границах сред обитания называется опушечным эффектом (или краевой). Чем сильнее различие условий, тем лучше развита оценка роли в каждом виде.
Принцип континуума Л. Г. Раменского (1924) – Г. А. Глизона (1926):
- широкое перекрытие экологических амплитуд и рассредоточенность центров распределения популяций вдоль градиента среды приводят к плавному переходу одного сообщества в другое, поэтому как правило, не образуют строго фиксированные сообщества.
Принципу континуума Н. Ф. Реймерс противопоставляет принцип биоценотической прерывности:
- виды формируют экологически определенные системные совокупности – сообщества и биоценозы, отличающиеся от соседних, хотя и сравнительно постепенно в них переходящие.
Под пространственной структурой биоценоза понимают вертикальную структуру. Это распределение организмов по вертикали и горизонтали в проекции на почву. Вертикальная структура в свою очередь разделяется на надземную и подземную. Надземная пространственная структура может быть одноярусная и многоярусная. В тропических лесах структура достигает десяти ярусов. Ярусность позволяет наиболее эффективно использовать ресурсы окружающей среды. Особенно эффективно это сказывается на количестве света.
В многоярусном биоценозе до почвы доходит всего 5 – 7 % от количества света упавшего на поверхность верхнего полога. Остальное используется на фотосинтез растениями всех ярусов.
В одноярусном поток света удерживается только верхним ярусом, поэтому только половина удерживается на прогрев почвы и рассеяние.
Расположение корневых систем в разных горизонтах почвы позволяет использовать воду и элементы питания с разной глубиной. Т.о. снижается конкуренция за воду и элементы питания. Сложность пространственной структуры как видовой – это отражение условий обитания: чем условия благоприятнее, тем сложнее структура.
Экологическая структура – это участие (выраженное в %) в сложении биоценоза организмов разных экологических групп. В любом биоценозе каждый растительный организм содержит за свой счет множество других организмов.
Совокупность живых организмов связанных с центральными организмами пищевыми и пространственными связями, называются консорция. Центральный организм называется детерминант. Все остальные называются консортами.
Если непосредственно контактируют с детерминантами, то называются консортами 1 порядка. Организмы обитающие на консортах 1 порядка, называются консортами 2 порядка, 3 порядка и т.д.
Биоценоз – это совокупность консорций. Поскольку каждый биоценоз обладает определенным энергетическим состоянием обмена веществ, является экосистемой. При чем эти экосистемы саморегулируются.
Так как каждый биоценоз находится в окружении неорганической среды и зависит от нее, то биоценоз в совокупности с фактором среды будет биогеоценоз (рис.2)
Рисунок 2.
Рисунок 3. – Вертикальная пространственная структура лесного биоценоза (ярусность)
Ярусность в лесу:
I - большие деревья (береза, ель, сосна, дуб, осина); II — малые деревья (рябина, черемуха); III — кустарники (лещина, бересклет, шиповник); IV — травы и кустарники (багульник, голубика, вереск, иван-чай, клюква, кисличка и др.); V —мхи и лишайники ды. (по Д. И. Трайтаку и др., 1987)
Рисунок 4. Ярусность луговой растительности
Ярусность растительности луговой степи
(по В. В. Алехину, А. А. Уранову, 1933)
- Положение особи или вида, которое он занимает в общей системе, характеризующееся совокупность
ю всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе, называется экологической нишей.
Термин «экологическая ниша» предложил Дж. Гриннел (1917) для характеристики пространственного распределения видов. Позднее Ч. Элтон (1927) определил экологическую нишу как положение вида в сообществе, особо подчеркнув важность трофических связей. Еще в конце XIX в. Многие исследователи замечали, что два вида экологически близкие и занимающие сходное положение в сообществе, не могут устойчиво сосуществовать на одной территории; один из них через какое-то время обязательно другой.
Это положение названо принципом конкурентного исключения, или законом Гаузе – в честь русского ученого Г. Ф. Гаузе (1932), впервые продемонстрировавшего явление экологической несовместимости в экспериментах с инфузориями.
Различают экологические ниши:
- функциональную – функциональное место, занимаемое видом в конкретном экологическом комплексе;
- пространственную – физическое пространство, занимаемое популяцией в экосистеме;
- реализованную (фактическую) – фактический диапазон условий существования организма (обычно меньше фундаментальной ниши);
- фундаментальную – определенный объем в многомерном пространстве, занимаемый данным видом, где каждое измерение соответствует одному из измеряемых факторов;
- неперекрывающиеся и перекрывающиеся – взаимно расположенные экологические ниши, обусловленные неперекрывающимися или перекрывающимися участками, занятыми популяциями.
Учение об экологических нишах имеет огромное практическое значение. При введении в местную флору и фауну иноземных видов надо выяснить, какую нишу они занимали на родине, чтобы узнать, будут ли у них конкуренты в местах внедрения.
Пищевая (трофическая) цепь — ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом отношениями: пища — потребитель.
Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80—90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4—5.
Пищевая цепь представляет собой связную линейную структуру из звеньев, каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища — потребитель». В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, например, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой группы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из этой группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуцентами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Организмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других организмов.
Каждый организм обладает некоторым запасом энергии, то есть можно говорить о том, что у каждого звена цепи есть своя потенциальная энергия. В процессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену до 80-90 % теряется в виде теплоты. Данный факт ограничивает длину цепи питания, которая в природе обычно не превышает 4-5 звеньев. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального.
Обычно для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев, связанных с ним отношением «пища — потребитель». Так, траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру — трофическую сеть.
Трофический уровень — условная единица, обозачающая удалённость от продуцентов в трофической цепи данной экосистемы.
В некоторых случаях в трофической сети можно сгруппировать отдельные звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают для следующего уровня только в качестве пищи. Такая группировка называется трофическим уровнем.
Существуют 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.
В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники (консументы) 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.
В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространённых в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита (органических останков), идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоёмах и на больших глубинах океана) часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи.
Наземные детритные цепи питания более энергоёмки, поскольку большая часть органической массы, создаваемой автотрофными организмами, остаётся невостребованной и отмирает, формируя детрит. В масштабах планеты, на долю цепей выедания приходится около 10 % энергии и веществ запасённых автотрофами, 90 % же процентов включается в круговорот посредством цепей разложения.
Взаимоотношение организмов в биоценозах.
Обитая на ограниченной территории организмы обязательно вступают друг с другом в определенные взаимоотношения. Они могут быть полезными друг для друга, вредными, нейтральными. В зависимости от того, в какой эффект вступают партнеры, определяют 6 типов взаимоотношений (рис. 5).
Но в каждом типе затем выделяют формы взаимоотношений. В основе всех взаимоотношений лежат связи. Различают их на 4 типа:
Рисунок 5. Типы взаимоотношений организмов.
- Взаимополезными – когда оба партнера приносят пользу.
Симбиоз – сожительство или взаимовыгодное сожительство, расширяет ареал.
- Взаимовредными или конкурентными, когда проявляется конкуренция за ограниченный ресурс. Различают межвидовую и внутривидовую конкуренцию за сырьевые ресурсы, территорию, убежища и прочие средства к существованию. Внутривидовая конкуренция протекает острее, так как особи одного вида характеризуются одинаковыми требованиями к условиям обитания.
Агрессия – свойственна человеческому обществу.
Антогонизм (аллелопатия) – растения при помощи корней сдерживают развитие других организмов.
- Взаимонейтральные взаимоотношения проявляются между организмами, если партнеры не оказывают ни вредного, ни полезного влияния друг на друга. Например, на одном лугу могут существовать кузнечики и дождевые черви, которые не оказывают друг на друга влияния.
- Полезно-вредные – самый распространенный тип отношений. Формы – хищничество и паразитизм. Один из партнеров является хищником, другой – жертвой (эксплуататор – жертва), основано на пищевых связях.
Различают хищников I порядка – «травоядные» и хищников II порядка или плотоядных, питающихся животными. Эти отношения настолько распространены, что имеют огромное практическое, экологическое и эволюционное значение.
Экологическое значение взаимоотношений в том, что хищник, уничтожая жертву, регулирует численность её популяции и не дает возможности её чрезмерного роста.
Преследуя жертву хищник невольно заставляет её осваивать новые ниши, поэтому ареал жертвы расширяется. Эволюционная роль этих взаимоотношений заключается в том, что хищник всегда уничтожает слабую, неполноценную жертву. А этим самым реализуется естественный отбор. Следовательно, хищничество в природе нужно и полезно., когда хищник может быть регулятором в поддержании популяции жертвы на определенном уровне.
Хищник очень активен. Уничтожая жертву, сам погибает. Энгельс «Диалектика природы».
Второй формой п-в. Отношений является паразитизм когда один из организмов использует другой в качестве среды обитания или источника пищи, возлагая на него регуляцию своих отношений с внешней средой (эндопаразиты, вши, блохи).
- Полезно-нейтральные отношения между особями разных видов наблюдаются, когда один партнёр извлекает из своих связей пользу, а второй не имеет ни пользы, ни вреда. Так, лишайники поселяясь на стволах деревьев используют их в качестве субстрата, не забирая у них ни воды, ни питательных веществ, такое сожительство называют коменсализмом (commensal – сотрапезник или квартирант).
- Вредно-нейтральные отношения (аменсализм) формируются между партнерами, когда один испытывает отрицательное влияние другого, а другой не испытывает никакого влияния. Если рядом в лесу растут рядом сосна и береза, то тонкие ветви березы отсекают под действием ветра ветки сосны и крона становится однобокой ( происходит охлестывание сосны на рис. 6).

- Биоритмы в жизни человека
- Биосинтез белка
- Биосоциалогический фактор по Ковалевскому.
- Биосоциальная природа человека и процессы обучения и воспитания
- Биосоциальная типология культурологи
- Биосоциальные основы поведения человека
- Биосоциальные теории причин преступности
- Биоповреждение промышленных материалов
- Биоповреждения строительных материалов
- Биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, их строение и функции
- Биополимеры и их роль в нефтедобыче
- Биоразнообразие, практическая значимость. Уровни Биоразнообразия
- Биоремедиация атмосферы
- Биоресурсы Казахстана