Экология сообществ и экосистем. 2
Ульяновский Государственный университет
Факультет последипломного медицинского и фармацевтического
образования
Реферат по экологии на тему:
« Экология сообществ и экосистем».
Ульяновск, 2015 год.
Содержание
1.Введение……………………………………………………
2.Глава 1. Понятие о сообществе и экосистемах………………………...4
3.Глава 2. Структура и
продуктивность сообществ………………
4.Глава 3. Динамика и устойчивость экосистем………………………..13
5.Глава 4. Неустойчивость
искусственных экосистем…………………
6. Заключение……………………………………………………
Введение
Основу экологии составляет изучение совместного функционирования особей, популяций, сообщества, экосистем, человека и их взаимосвязи, взаимодействий с окружающей средой. Так как любые изменения видов, популяций, сообществ, экосистем являются своеобразным биоиндикатором окружающей среды, с их помощью мы можем оценить степень загрязнения окружающей среды и прогнозировать вредные последствия искусственных изменений в окружающей среде на организм человека. Для этого необходимо изучить сообщества и экосистемы, их структуру, процессы, которые в них происходят.
Для существования сообщества важна не
только величина численности организмов, еще важнее
видовое разнообразие, которое является
основой биологического разнообразия
в живой природе. Согласно Конвенции о биологическом разнообразии
Конференции ООН по окружающей среде и
развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), под биоразнообразием
* Разнообразие в рамках вида является
основой стабильности в развитии популяций,
разнообразие между видами и, следовательно,
популяциями — основа существования биоценоза
как основной части экосистемы
Живые организмы и их неживое
(абиотическое) окружение неразделимо
связаны друг с другом в экосистемах, находятся в постоянном взаимодействии.
Любая единица, включающая все совместно
функционирующие организмы (биотическое
сообщество) на данном участке и взаимодействующая
с физической средой таким образом, что
поток энергии создает четко определенные
структуры и круговорот веществ между
живой и неживой частями, представляет
собой экологическую систему. Экологическая
система, или экосистема, — основная функциональная
единица в экологии, важное понятие, так
как в нее входят организмы и неживая среда
— компоненты, взаимно влияющие на свойства
друг друга и необходимые условия для
поддержания жизни в той ее форме, которая
существует на Земле. Термин «экосистема»
впервые был предложен в 1935 г. английским
экологом А. Тенсли (1871—1955). Он ввел понятие об экосистемах. Само же представление об экосистеме
возникло значительно раньше. Упоминание
об единстве организмов и среды можно
найти в самых древних письменных памятниках
истории. Однако только в конце XIX в. стали
появляться высказывания такого рода,
при этом практически одновременно в американской,
европейской и русской литературе (К. Мебиус,
1877; С. Форбс, 1877; В. Докучаев, 1886 и др.).
Глава 1
Понятие о сообществе и экосистеме.
Группа популяций разных видов, населяющая определенную территорию, образует сообщество. Представление о любом ландшафте в первую очередь связывается с его растительностью. Тундра, тайга, листопадные леса, луга, степи, пустыни состоят из разнообразных растительных сообществ. Березовые леса отличаются от дубрав не только древесным составом, но и подлеском и травяным покровом. Каждое растительное сообщество населено свойственными ему сообществами животных, грибов и микроорганизмов.
Все сообщества растений, животных, микроорганизмов, грибов находятся в теснейшей связи друг с другом, создавая неразрывную систему взаимодействующих организмов и их популяций — биоценоз, который также называют сообществом. Можно выделить сообщества любого размера и уровня. Например, в сообществе степей — сообщество луговых степей, а в нем — сообщества растений, позвоночных и беспозвоночных животных, микроорганизмов.
Среда и сообщество, а также члены сообщества между собой обмениваются веществами и энергией: живые организмы из среды или друг от друга получают вещества и энергию и возвращают их обратно в окружающую среду. Благодаря этим процессам обмена, организованным в виде потока энергии и круговорота веществ, сообщество (биоценоз) и окружающая его среда представляют собой неразрывное единство, одну сложную систему. Такую систему называют экосистемой или биогеоценозом. В последнее время термин «экосистема» употребляется чаще.
Итак, делаем вывод, что:
Экосистема — это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами.
Сообщество — совокупность популяций разных
видов, обитающих на определенной территории.
При этом выделяют следующие структурные
компоненты сообщества:
- фитоценоз - растительный компонент биоценоза,
- зооценоз - животный компонент биоценоза,
- микробоценоз — микробный компонент биоценоза.
Глава 2
Структура и продуктивность сообществ
Структура сообщества - показатель соотношения различных групп организмов, различающихся по систематическому положению; по роли, которую они играют в процессах переноса энергии и вещества; по месту, занимаемому в пространстве, в пищевой (трофической) сети, либо по иному признаку, существенному для понимания закономерностей функционирования естественных экосистем.
Видовая структура
Одним из важнейших показателей структуры сообщества является видовой состав входящих в него организмов. Видовой состав сообщества определяется рядом факторов, важнейшие среди которых: географическое местоположение, определяющее состав флоры и фауны, особенности климата, тип ландшафта и его высота над уровнем моря, водный режим, возраст самого сообщества. В пределах отдельных континентов и климатических зон сходные по видовому составу сообщества формируются в районах, сходных по экологическим условиям.
Между лесами на юге и полярными льдами на севере расположена обширная полоса безлесной местности - зона тундры. Факторами, определяющими состав населения тундры, являются: низкие температуры, короткий сезон вегетации, промерзший (за исключением тонкого слоя - всего несколько сантиметров) грунт. Растительность здесь представлена злаками, осоками, лишайниками, иногда карликовыми деревьями. Животное население представлено птицами (включая перелетных), крупными (северный олень, овцебык) и мелкими (лемминги, полевки) растительноядными млекопитающими, хищниками (белый медведь, волк, песец). Интересно, что небольшие районы тундры со сходным составом жизненных форм (а в ряде случаев и видов) встречаются в высоких горах умеренной зоны и даже тропиков (альпийская тундра).
Много общего в составе населения северных хвойных лесов, вытянувшихся широким поясом через всю Евразию и Северную Америку, в населении степей, предгорий, пустынь, пойменных участков рек, иногда отдаленных друг от друга сотнями и даже тысячами километров.
Долевое участие каждого вида в сообществе различно. В сообществе, как правило, имеется несколько видов, представленных большим числом особей, или большой биомассой, и сравнительно много видов с низкой численностью. Виды с высокой численностью играют значительную роль в жизни сообщества, особенно так называемые виды - средообразователи. В лесных экосистемах, например, к ним относятся виды преобладающих древесных растений. От них зависят условия, необходимые для выживания других видов живых существ: трав, насекомых, птиц, зверей, мелких беспозвоночных и микроорганизмов лесной подстилки и др.
В то же время редкие, как правило, стенобионтные виды часто оказываются лучшими индикаторами (показателями) состояния сообщества. Это связано с тем, что для поддержания жизни редких видов требуются строго определенные сочетания различных факторов (например, температуры, влажности, состава почв, определенных видов пищевых ресурсов).
Морфологическая и пространственная структура
Любые сообщества, независимо от местоположения или состава присутствующих в нем видов, обладают некоторыми признаками, которые существенно облегчают их анализ и сопоставление друг с другом. К таким признакам относят соотношение организмов с определенными типами внешнего строения и пространственную организацию сообщества.
Общие сведения, определенные типы внешнего строения организмов, возникшие как приспособления к условиям местообитаний, называются жизненными формами.
Жизненные формы у растений и животных очень разнообразны. Так, наиболее распространенные жизненные формы растений - деревья, кустарники, травы.
О характерных чертах растительного сообщества, например, можно судить по соотношению присутствующих здесь жизненных форм. Ведь число жизненных форм, входящих в биоценоз организмов, обычно гораздо меньше числа образующих его видов, а преобладание тех или иных форм характеризует общие условия жизни организмов. Набор жизненных форм, их соотношение определяют морфологическую структуру сообщества. По преобладающим (доминирующим) жизненным формам растительности, например, определяется принадлежность сообщества к тому или иному типу (лесу, лугу).
Разные жизненные формы, сосуществующие в сообществе, как правило, обособлены пространственно. Это выражается в горизонтальном и вертикальном расчленении фитоценоза на отдельные элементы, каждый из которых играет свою роль в накоплении и преобразовании вещества и энергии. Такое расчленение характеризует пространственную структуру сообщества.
Подземная ярусность представляет собой как бы зеркальное отражение надземной: корни наиболее высоких растений (деревьев) проникают глубже всех, корни низких (трав, кустарников) располагаются у поверхности почвы или прямо в подстилке. Наибольшая масса корней находится в верхних слоях почвы.
Животное население биоценоза, связанное с растениями, также распределено по ярусам. Например, микрофауна почвенных животных наиболее богата в подстилке. Достаточно четко приурочены к ярусам определенные группы насекомых. Разные виды птиц строят гнезда и кормятся в разных ярусах - на земле (трясогузка), в кустарниках (малиновка, соловей), в кронах деревьев (грачи, сороки).
По горизонтали сообщество также расчленяется на отдельные элементы -микрогруппировки, расположение которых отражает неоднородность условий жизни. Особенно хорошо это видно в структуре наземного (напочвенного) покрова - в наличии «мозаики» из различных микрогруппировок растений (например, кочки или куртины трав; светолюбивые травы в «окнах» сомкнутых крон, теневыносливые травы - под кронами деревьев (пятна мхов или голого грунта).
Морфологическая и пространственная структура сообщества является показателем разнообразия условий жизни организмов, богатства и полноты использования ими ресурсов среды. В определенной мере они характеризуют также устойчивость сообществ, то есть их способность противостоять внешним воздействиям...
Важным функциональным указателем сообществ является их способность к созданию (продуцированию) новой биомассы. Это свойство лежит в основе понятия продуктивность, сходного по смыслу с понятием плодородие, которое используется по отношению к сельскохозяйственным или иным экосистемам, чье функционирование подчинено потребностям человека (как, например, рыбоводство, лесоразведение).
Прирост биомассы сообщества выражают суммарным приростом биомассы его элементов (автотрофного и гетеротрофного компонентов, отдельных трофических уровней, популяции каких-либо видов). Скорость продуцирования биомассы определяют в экологии специальным показателем — продукцией. В популяции продукция — это общая (суммарная) величина приращения ее биомассы за единицу времени. Продукция трофического уровня - это суммарная продукция всех популяций, занимающих этот уровень.
Собственно продуцирование, или синтез нового биологического вещества, происходит за счет роста организмов и нарождения новых особей. И тот и другой процессы требуют определенных затрат энергии и вещества.
Автотрофы получают эти ресурсы, используя свободную энергию солнечного излучения и запасы минеральных веществ. Ресурсом гетеротрофов являются организмы предшествующих трофических уровней.
Общий прирост биомассы, или общая продукция, за тот или иной временной отрезок складывается из приростов массы не только выживших, но и погибших в течение этого интервала особей, ибо они тоже росли и тем самым участвовали в формировании продукции сообщества.
Фактическая скорость наращивания биомассы, или чистая продукция, всегда меньше общей энергии, полученной организмами с пищей, так как некоторая ее часть теряется при отмирании организмов или расходуется на выполняемую ими работу. В экологии эти расходы называют дыханием.
В сообществе, сохраняющем устойчивое состояние, фактическая продукция данного трофического уровня должна покрывать пищевые потребности организмов следующего уровня; в противном случае общий запас биологического вещества данного трофического уровня будет неуклонно снижаться из-за выедания.
Как и энергия, продукция резко убывает при переходе от низших трофических уровней к высшим.
Продукцию чаще всего выражают в энергетических эквивалентах (например, в джоулях или калориях на 1 м2 за одни сутки) или в количестве сухого (обезвоженного) органического вещества (например, в килограммах на 1 га за один год).
Первичная продукция — это скорость образования органического вещества первичными продуцентами (растениями). Количество органического вещества оценивается его массой или энергией, запасенной в этом веществе. Общая масса живых организмов называется биомассой. Соответственно первичную продукцию оценивают величиной биомассы, произведенной за единицу времени. Чистая первичная продукция (т. е. фактический прирост биомассы растений) всегда меньше энергии, зафиксированной в процессе фотосинтеза. Именно первичную продукцию растений потребляют гетеротрофы — бактерии, грибы, животные.
Вторичной продукцией называют скорость продуцирования биомассы гетеротрофами.
Изучение продуктивности — крайне важное направление экологических исследований. В течение 10 лет (с 1964 по 1974 г.) во всем ире проводился согласованный сбор данных о продуктивности экосистем и о влияющих на нее факторах. Он проходил в рамках Международной биологической программы, выполнение которой сыграло важную роль в понимании человечеством возможных способов повышения своего благосостояния. Оно позволило получить более точные сведения о продуктивности суши, пресных и соленых вод. Эти данные потребовались в связи с быстрым ростом народонаселения и были необходимы для создания рациональной системы управления природными ресурсами.
Общая годовая продукция наземной растительности
оценивается приблизительно в 180—200 млрд
т, основная доля ее приходится на тропическую зону. Годовая
продукция фитомассы океана составляет
около 50—100 млрд т.
Таким образом, хотя океан занимает более
2/3 поверхнос:ги земного шара, он дает только
1/ 4 всей продукции биосферы.
В океане основным продуцентом биомассы является фитопланктон — одноклеточные растительные организмы. Они обладают большой скоростью воспроизводства, поэтому их годовая продукция в десятки и сотни раз превышает запас их фитомассы. Вся первичная продукция быстро вовлекается в цепи питания, поэтому накопление фитомассы незначительно. В то же время в океане происходит накопление зоомассы. Таким образом, здесь по сравнению с сушей пирамида биомасс имеет перевернутый вид.
Глава 3
Динамика и устойчивость экосистем
Естественным экосистемам присуще свойство, характерное для всех живых организмов – гомеостаз.
Гомеостаз - это внутренне устойчивое динамическое равновесие, которое обеспечивается постоянной саморегуляцией функций всех звеньев системы.
Тем не менее любой биогеоценоз представляет собой открытую систему, подверженную влиянию самых разнообразных внешних факторов и вынужденную приспосабливаться к их изменениям. Кроме того, отношения между компонентами экосистемы могут варьироваться. Поэтому система, пребывающая в состоянии гомеостаза, не тождественна самой себе на каком-либо отрезке времени – она обладает также свойством развития (направленного закономерного изменения во времени).
Все многообразные изменения, происходящие в экосистеме (биогеоценозе), можно свести к двум основным типам: циклические и поступательные.
Циклические изменения бывают суточными, сезонными и многолетними. Они вызываются внешними факторами и проявляются в изменениях внутренних параметров биогеоценозов.
Суточные изменения наблюдаются как различие в активности живых организмов в дневное и ночное время суток. Эти изменения прослеживаются в биогеоценозах всех без исключения климатических зон. Чем контрастнее суточные перепады освещенности, температуры, влажности и пр. – тем заметнее указанная разница. Например, в среднеазиатских песчаных пустынях летом в дневное время жизнь практически замирает, ночью же, при устранении экстремально высокого перегрева поверхности, проявляет высокую активность. В зоне тундры, напротив, суточные изменения едва заметны и связаны главным образом с внутренними ритмами организмов (в течение «полярного дня» абиотические факторы не имеют циклических колебаний).
Сезонная динамика экосистем связана с длительными и постепенными изменениями значений абиотических факторов в течение года. В зонах с контрастным климатом зимой большинство живых организмов практически полностью выключается из жизни сообщества, переходя в состояние глубокого покоя (травянистые растения и листопадные деревья, насекомые, рептилии, растительноядные млекопитающие и т.п.) либо перекочевывая в другие географические зоны (перелетные птицы). С наступлением весны, при увеличении длительности светового дня, повышении температуры и появлении доступной для усвоения воды активность видов возобновляется.
Многолетние изменения экосистем не столь регулярны и предсказуемы, как суточные и сезонные. Они вызываются главным образом колебаниями климатических факторов. Например, одна и та же экосистема выглядит и функционирует неодинаково в годы с оптимальным, избыточным и недостаточным количеством осадков; при этом возможны изменения не только в численности, обилии и биомассе организмов, но и в видовом составе, а также в характере внутренних связей – например, при длительной засухе и последующей гибели каких-либо неустойчивых к засолению почвы растений прекращается активность потребителей этих растений, что вызывает вспышку численности конкурирующего вида потребителей и т.д.
Поступательные изменения экосистем, в отличие от циклических, необратимы. Эти изменения претерпевает любой биогеоценоз в ходе собственной эволюции. Эволюция экосистемы есть результат взаимодействия живых организмов в большей мере друг с другом, чем с окружающей средой. Подобную эволюцию принято называть сукцессией (от лат. successio - преемственность).
В основе сукцессии экосистемы лежит неполнота биологического круговорота, который система стремится сделать полным. Каждый организм, поселяющийся в местообитании, изменяет вокруг себя среду, попросту изымая из нее часть вещества и насыщая ее продуктами собственной жизнедеятельности. Постепенно среда трансформируется, становясь все менее пригодной для данного организма. Однако именно такая среда может оказаться оптимальной для совершенно другого вида. Этот вид начинает использование среды, повышает численность и, в конце концов, вытесняет предшественника либо вступает с ним во взаимовыгодные отношения. Процесс будет тянуться до тех пор, пока изменения среды, вызываемые одними обитателями сообщества, не будут точно компенсированы деятельностью других обитателей, обладающих противоположными экологическими требованиями.
Закон максимизации энергии (сформулирован Г. и Ю. Одумами, дополнен М. Реймерсом): В конкуренции с другими системами сохраняется та, которая наиболее способствует поступлению энергии и информации и использует максимально возможную их величину наиболее эффективно.
Состояние экосистемы, при котором ее ресурсы используются максимально и она полностью адекватна своей географической зоне, называется климаксом.
Климакс – конечная и наиболее устойчивая
стадия сукцессии. В этой стадии экосистема
может пребывать неограниченно долго,
лишь поддерживая внутреннее равновесие.
Новые виды поселиться в такой экосистеме
не могут. Пример экосистемы в стадии климакса - разнотравно-типчаково-
От возникновения биологически стерильного потенциального местообитания до вступления его в стадию климакса нередко проходит значительный период, Длительность его зависит от абиотических факторов местности – главным образом климата и физико-химических свойств субстрата. Тем не менее основные фазы зарождения и эволюции биогеоценоза (стадии сукцессии) в различных условиях оказываются поразительно сходными, отличаясь лишь длительностью стадий и составом видов. Схема сукцессии экосистемы выглядит следующим образом.
1.Стадия автотрофных микроорганизмов. Представляет собой примитивнейшую группировку из случайных, занесенных ветром и осадками бактерий и микроводорослей, нуждающихся лишь в солнечной энергии, влаге и минеральных солях. Биомасса этих видов исчезающее мала, состав изменчив, биотические связи отсутствуют. Эта стадия чрезвычайно уязвима, так организмы гибнут, выдуваются, вымываются и заселение начинается снова и снова.
2. Стадия микробоценоза. К автотрофным микроорганизмам добавляются гетеротрофные. Это происходит при условии накопления в субстрате достаточного количества органики, выделенной в субстрат ранее поселившимися автотрофами. Гетеротрофы (в данном случае – бактерии, простейшие, грибки), обнаружив органику, начинают поглощать и перерабатывать оную, выделяя в среду именно то, в чем нуждаются автотрофы – минеральные соли, углекислый газ, воду. Так возникает примитивный круговорот веществ. Постепенно он усложняется за счет вновь поселившихся видов – как автотрофов, так и гетеротрофов.
3. Пионерная группировка растений. При накоплении в субстрате достаточного количества органики открывается возможность поселения высших (цветковых или споровых) растений. Семена и споры также заносятся извне. Подобно автотрофным микроорганизмам, высшие растения-пионеры также рассеяны, не связаны друг с другом и устойчивы к неблагоприятным факторам, однако обладают сильной жизненной стратегией (так называемые «сорняки»).
Поселение высших растений – важнейшая стадия сукцессии. В зоне влияния каждого из них существенно изменяется микроклимат и повышается количество органики, что ведет к резкому увеличению численности микроорганизмов и стабилизации круговорота веществ.
4. Простая группировка.. Отличается от пионерной наличием взаимодействия между отдельными растениями и резкой стабилизацией микроклиматических условий. При этом видовой состав растений может постоянно меняться. Нередко такие группировки состоят из одного вида. На этой стадии обычны животные – насекомые, клещи, моллюски.
5. Сложная группировка. Представлена множеством видов растений и микроорганизмов со стабильным круговоротом веществ, но еще открыта для поселения новых видов. Микроклимат устойчив и в значительной мере нивелирует внешние перепады температуры, влажности и освещенности. Значительно расширяется видовой список животных – за счет беспозвоночных, рептилий, мелких млекопитающих.
6. Замкнутая экосистема (стадия климакса). Общий видовой состав на этой стадии может быть беднее, чем на предыдущей, но он максимально стабилен. Заняты все экологические ниши, уравновешены все процессы и круговороты. Поселение новых видов исключено.
Следует отметить, что в благоприятных условиях формирование замкнутой экосистемы занимает всего несколько лет, в других случаях, особенно при наличии экстремальных факторов, экосистема может «застрять» на начальных стадиях на многие десятилетия.
В экологии существует понятие катастрофической сукцессии биоценоза. Как явствует их названия, это внезапная и практически полная гибель экосистемы в результате вмешательства стихии или техногенеза. В первом случае экосистема начинает восстановление не «с нуля», так как в ней остаются какие-либо организмы, запасы органика и т.п.; развитие ее называется вторичной сукцессией. При техногенном вмешательстве гибель экосистемы обычно необратима.
Глава 4
Неустойчивость искусственных экосистем
Искусственные экосистемы имеют тот
же набор компонентов, что и естественные: продуценты,консу
- меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);
- невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;
- короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;
- незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая.
Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними.
В функционировании природных экосистем и экосистем, созданных человеком, имеются отличительные особенности. Для природных экосистем характерна сложная структура и большое видовое разнообразие, которые обеспечивают устойчивость экосистем. Искусственные экосистемы создаются человеком с разными целями. Соотношение абиотического и биотического, автотрофного и гетеротрофного компонентов в искусственных экосистемах существенно отличается от такового в природных системах. Например, агроэкосистемы создаются для получения высокого урожая, видовое разнообразие в них резко снижено, иногда до монокультуры. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов – это упрощенные системы, они неустойчивы и неспособны к саморегуляции. Виды растений, культивируемых человеком, неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека. Устойчивость искусственных экосистем обеспечивается дополнительными затратами со стороны человека.
