Типы взаимодействия между организмами в наземной и водной среде

Министерство  науки и образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский  государственный  горный  институт им. Г.В. Плеханова

(национальный исследовательский  университет)

Кафедра геоэкологии

РЕФЕРАТ

По дисциплине:             ________________Экология_____________________

Тема:         Типы взаимодействия между организмами в наземной и водной среде.

Выполнил:  студент   гр. ОНГ-07-1         __________                /Ведерникова А.Ю./

                                                                                                 ^{(подпись)                                             (Ф.И.О.)}

Оценка:____________

Проверил: доцент                      __________                 /Кремчеев Э.А./

                                                                                                  ^{(подпись)                                            (Ф.И.О.)}

Санкт – Петербург

2010

Оглавление

Введение

Слово "экология" образовано из двух греческих слов: "oicos", что означает дом, жилище, и "logos" - наука и дословно переводится как наука о доме, местообитании. Впервые этот термин использовал немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1886 году, определив экологию как область знаний, изучающую экономику природы, - исследование общих заимоотношений животных как с живой, так и с неживой природой, включающей все как дружественные, так и недружественные отношения, с которыми животные и растения прямо или косвенно входят в контакт. Такое понимание экологии стало общепризнанным и сегодня классическая экология - это наука об изучении взаимоотношений живых организмов с окружающей их средой.

Живое вещество настолько многообразно, что его изучают на разных уровнях организации и под разным углом зрения.

Различают следующие  уровни организации биосистем.

Уровни организмов, популяций и экосистем являются областью интересов классической экологии.

В зависимости  от объекта исследования и угла зрения, под которым он изучается, в экологии сформировались самостоятельные научные направления.

По размерности  объектов изучения экологию делят на аутэкологию (организм и его среда), популяционную экологию (популяция  и ее среда), синэкологию (сообщества и их среда), биогеоцитологию (учение об экосистемах) и глобальную экологию ( учение о биосфере Земли).

В зависимости  от объекта изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, агроэкологию, промышленную (инженерную), экологию человека и т.п.

По средам и  компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, моря, пустынь, высокогорий и других средовых и  географических пространств.

К экологии часто  относят большое количество смежных отраслей знаний, главным образом из области охраны окружающей среды.

В данной работе рассмотрены прежде всего основы общей экологии, то есть классические законы взаимодействия живых организмов с окружающей средой.

1.Экосистема - основное  понятие экологии

Экология рассматривает  взаимодействие живых организмов и  неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам. [2]

Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов  и детритофагов, взаимодействующих  друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким  образом, что эта единая система  сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:

1) экосистема  обязательно представляет собой  совокупность живых и неживых  компонентов; 

2) в рамках  экосистемы осуществляется полный  цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3) экосистема  сохраняет устойчивость в течение  некоторого времени, что обеспечивается  определенной структурой биотических  и абиотических компонентов.

Примерами природных  экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера.

Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации  систем, в данном случае экологических.

Таким образом, устройство природы следует рассматривать  как системное целое, состоящее  из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема - биосфера. В  ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты. Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого погибнуть, она перейдет в новое устойчивое состояние, изменив при этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним условиям и скорее всего исчезнет первым. Поучительным и наглядным тому примером является история острова Пасхи. [2]

На одном  из полинезийских островов, носящем  название острова Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII веке возникла замкнутая изолированная от всего мира цивилизация. В благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования достигла известных высот развития, создав само-бытную культуру и письменность, до наших дней не поддающуюся расшифровке. А в XVII веке она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные "ноевы ковчеги" - лодки или плоты.

В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный  остров с гигантскими каменными  фигурами - свидетелями былого могущества.

Вывод: экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира. Основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов.

2. Биотическая структура экосистем

Экосистема  основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические вещества, составляющие все живое на планете. Процесс создания органического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения. Совокупность этих процессов протекает в рамках экосистем различных уровней иерархии. Чтобы эти процессы были уравновешены, природа за миллиарды лет отработала определенную структуру живого вещества системы.

Движущей силой  в любой материальной системе  служит энергия. В экосистемы она  поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6.

Кинетическая  энергия солнечного излучения преобразуется  таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами - образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.

Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии.

Вместо нее  они используют энергию, которая  образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.

Таким образом, растения и хемосинтетики создают  органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии  окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами. Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете. Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источ-ник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются консументами или гетеротрофами.

Консументы - это  самые разнообразные организмы (от микроорганизмов до синих китов): простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, наконец, млекопитающие, включая человека. [1]

Консументы, в  свою очередь, подразделяются на ряд  подгрупп в соответствии с различиями в источниках их питания.

Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются первичными консументами или консументами первого порядка. Их самих употребляют  в пищу вторичные консументы. Например, кролик, питающийся морковкой, - это консумент первого порядка, а лиса, охотящаяся за кроликом, - консумент второго порядка. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням. Например, когда человек ест овощи - он консумент первого порядка, говядину - консумент второго порядка, а употребляя в пищу хищную рыбу, выступает в роли консумента третьего порядка.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких  порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие  листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом.

Существует множество организмов, специализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае обычных консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п. [1]

Наконец, значительная часть детрита в экосистеме, в  частности опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет  и разлагается в процессе питания  ими грибов и бактерий.

Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Вывод: таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.

3. Типы взаимодействий между организмами

Взаимодействия между различными организмами, населяющими данную среду, дали название коакций. Коакции подразделили на два типа.

Гомотипические  реакции, или взаимодействия между особями одного и того же вида. Реакции этого типа весьма разнообразны. Основные из них — групповой и массовый эффекты, внутривидовая конкуренция.

Гетеротипические  реакции, т.е. взаимоотношения между  особями разных видов. Влияние, которое  оказывают друг на друга два вида, живущих вместе, может быть нулевым, благоприятным или неблагоприятным. Отсюда типы комбинаций могут быть следующими.

Теоретически  взаимодействие популяций двух видов  можно выразить в виде следующих  комбинаций символов: 00, --, ++, +0, -0 , +-. Выделяют 9 типов наиболее важных взаимодействий между видами [3].

• нейтрализм(00)- ассоциация двух видов популяций не сказывается ни на одном из них;
• Взаимное конкурентное подавление (--) - обе популяции взаимно подавляют друг друга;
• Конкуренция из-за ресурсов (--) - каждая популяция неблагоприятно воздействует на другую при недостатке пищевых ресурсов;
• Аменсализм (-0) - одна популяция подавляет другую, но сама при этом не испытывает отрицательного влияния;
• Паразитизм (+ - ) -популяция паразита наносит вред популяции хозяина;
• Хищничество (+ -) - одна популяция неблагоприятно воздействует на другую в результате прямого нападения, но зависит от другой;
• Комменсализм (+0) - одна популяция извлекает пользу от объединения с другой, а другой популяции это объединение безразлично;
• Протокооперация (+ +) -обе популяции получают пользу от объединения;
• Мутуализм (+ +) - связь благоприятна для роста и выживания отдельных популяций, причём в естественных условиях ни одна из них не может существовать без другой.

Примечание: (0) - существенное взаимодействие между  популяциями отсутствует; (+) - благоприятное  действие на рост, выживание или  другие характеристики популяции; ( - ) - ингибирующее действие на рост или  другие характеристики популяции.

Тип взаимодействия определённой пары видов может изменяться в зависимости от условий или от последовательных стадий их жизненных циклов. Иногда отношения двух видов можно охарактеризовать как паразиты, иногда - как комменсализм, а иногда они могут быть нейтральными.

Девять описанных  видов взаимодействий можно свести к двум более обобщенным типам - отрицательным (антибиотическим) и положительным (симбиотическим). В зависимости  от состояния экосистемы к ней  может быть, применим один из следующих  принципов:

• В ходе эволюции и развития экосистемы существует тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий за счёт положительных, увеличивающих выживание обоих видов.
• В недавно сформировавшихся или новых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем  в старых.

Взаимодействие  популяций  может  быть  взаимно  полезным,  полезным  для  одной  из  них  и  безразличным  для  другой.

 Более того, взаимоотношения могут меняться, они не заданы раз и навсегда.

Далее на примерах подробнее рассмотрим типы взаимоотношений между организмами.   

    В  случае, когда одна популяция  не испытывает влияния другой, т.е. между ними нет взаимодействия, то такая ситуация называется  нейтрализмом. Например, белки и  лоси в одном лесу не контактируют между собой. К антибиотическим отношениям можно отнести следующие формы отношений:

• Конкуренцию;
• Паразитизм;
• Хищничество;
• Аменсализм.

      Если популяции являются антагонистами  в борьбе за пищу, место обитания  и другие необходимые для жизни  факторы, то их отношения называют конкуренцией.

В природе возникают  ситуации, когда один вид наносит  ущерб другому, но в то же время  не может существовать без него. Такой тип взаимоотношений называют либо паразитизмом (когда представители  какого-либо вида обитают внутри или на поверхности другого - например, паразитические черви, обитающие внутри млекопитающих и человека), либо хищничеством (когда представители одного вида ловят и поедают представителей другого - например, отношения между волками и грызунами и др.).

    При  аменсализме страдает один вид,  а другой развивается нормально:  например, плесневый гриб Penicillium выделяет  пенициллин - вещество, подавляющее  рост различных бактерий, но бактерии  не оказывают влияния на плесневый  гриб. При клинических испытаниях пенициллина было выявлено, что при его применении увеличилось число грибковых заболеваний, поскольку в естественных условиях развитие грибов сдерживается присутствием бактерий. При антогонизме - аменсализме, паразитизме и хищничестве - ошибочно полагать, что отношения между хозяином и паразитом или хищником и жертвой всегда вредны для хозяина или жертвы.  Со временем под влиянием естественного отбора губительное действие паразита или хищника ослабевает, поскольку паразит может сохраниться лишь в том случае, если перейдет на какой-либо новый вид, пригодный в качестве хозяина. Если же паразит не найдет нового хозяина, то он погибает сам.   

К симбиотическим можно отнести следующие формы  отношений:

• Собственно симбиоз (протокооперация);
• Мутуализм;
• Комменсализм.

Симбиоз - сожительство (от греч. "син" - вместе, "биос" - жизнь) представляет такую форму  взаимоотношений, при которой оба  партнера или один из них извлекает  пользу от другого. Симбиоз - понятие  широкое и включает много разных вариантов отношений между видами. Если присутствие одной популяции благоприятно для другой, но не является необходимым условием существования, то такие отношения носят характер протокооперации (на панцирях многих ракообразных обитают различные кишечнополостные, которые получают пищу, когда его хозяин ловит и поедает других животных, однако они могут существовать и раздельно).  Протокооперацию можно в определенном смысле отнести к симбиозу. Существуют и другие формы симбиоза: мутуализм, комменсализм.

    В  случае, когда оба вида извлекают  выгоду из совместного существования  и не могут жить самостоятельно, то такая ассоциация называется мутуализмом. Примером мутуализма являются термиты, в кишечнике которых обитают жгутиковые (простейшие), имеющие ферменты для разложения древесины, которой питаются термиты.

    Формирование  мутуализма проходит через несколько стадий: сначала ассоциация носит характер комменсализма (т.е. такой тип взаимоотношений, когда один из двух совместно обитающих видов - комменсал - извлекает пользу из совместного существования, не причиняя, однако, вреда другому виду), а затем через фазу протокооперации отношения в ассоциации переходят в мутуализм. Комменсализм широко представлен в океане, где практически в каждой норе, вырытой червем, и в каждой раковине обитают гости, использующие убежище хозяина и не приносящие ему ни пользы, ни вреда.

  Рыбы-лоцманы,  следующие за акулами, черепахами, дельфинами, кормятся остатками  пищи этих животных, а также  их экскрементами и паразитами. Такие отношения между видами  называют нахлебничеством (один  из вариантов комменсализма). Другая  форма комменсализма получила название квартиранства: в полости голотурии "морского огурца" находят убежище разнообразные мелкие виды животных. Растения - эпифиты (от греч. "эпи" - на, сверх, "фитом" - растение) поселяются на деревьях. Например, на деревьях поселяются водоросли, лишайники, мхи, орхидеи - они питаются за счет фотосинтеза и отмирающих тканей хозяина, но не их соками.

4. Экологические факторы

Неживая и живая  природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды  обитания. Множество отдельных компонентов среды, влияющих на организмы, называются экологическими факторами.

По природе  происхождения выделяют абиотические, биотические и антропогенные  факторы. Абиотические факторы - это  свойства неживой природы, которые  прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Биотические факторы - это все формы воздействия  живых организмов друг на друга.

Раньше к  биотическим факторам относили и  воздействие человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых человеком. Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других видов и непосредственно сказываются на их жизни. [2]

Таким образом, каждый живой организм испытывает влияние неживой природы, организмов других видов, в том числе и человека, и, в свою очередь, оказывает воздействие на каждую из этих составляющих.

4.1.  Законы воздействия экологических факторов на живые организмы

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.

Для жизни организмов необходимо определенное сочетание  условий. Если все условия среды  обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха.

В современной  формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его  экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, формулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору. [3]

Благоприятный диапазон действия экологического фактора  называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения.

Максимально и  минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.

В соответствии с законом толерантности любой  избыток вещества или энергии  оказывается загрязняющим среду  началом. Так, избыток воды даже в  засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне.

Виды, для существования  которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобиотными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибиотными. [3]

Закон толерантности – существование, распространенность и распределение видов живых организмов в экосистеме определяется тем, может ли уровень одного или нескольких физических или химических факторов быть выше или ниже уровней толерантности этих видов.

Уровень толерантности  отдельного организма зависит от его возраста, здоровья, физиологического состояния, генотипа (например, толерантность к спиртному). К постепенно изменяющимся условиям можно адаптироваться (привыкнуть).

Пороговый эффект – малое изменение или воздействие может оказаться критическим и вызвать негативные последствия (если система находится в предпороговой области).Например, массовая гибель деревьев после длительного воздействия загрязненного воздуха.

Принцип лимитирующего  фактора – избыток или недостаток одного абиотического фактора может повлечь за собой ограничение или остановку роста численности популяции в экосистеме, даже если значения других факторов оптимальны.

Лимитирующий  фактор – любой фактор, тормозящий рост популяции в экосистеме.

Лимитирующие  факторы для наземных экосистем:

• - температура;
• - вода;
• - свет;
• - питательные вещества в почве.

Лимитирующие  факторы для водных экосистем:

• - температура;
• - солнечный свет;
• - содержание растворенного кислорода;
• - соленость.

Вывод: среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, выделим правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор, посколько окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

4.2. Абиотические факторы среды обитания

Абиотические  факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Начнем рассмотрение с климатических факторов внешней  среды.

Температура

Температура является наиболее важным климатическим фактором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. И хотя для разных видов организмов (эвритермных и стенотермных) эти интервалы различны, для большинства из них зона оптимальных температур, при которых жизненные функции осуществляются наиболее активно и эффективно, сравнительно невелика. Диапазон температур, в которых может существовать жизнь, составляет примерно 300 С : от -200 до +100 ˚С. Но большинство видов и большая часть активности приурочены к еще более узкому диапазону температур. Определенные организмы, особенно в стадии покоя, могут существовать по крайней мере некоторое время, при очень низких температурах. Отдельные виды микроорганизмов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться при температурах, близких к точке кипения. Верхний предел для бактерий горячих источников составляет 88 С, для сине-зеленых водорослей - 80 С, а для самых устойчивых рыб и насекомых - около 50 С. Как правило, верхние предельные значения фактора оказываются более критическими, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхних пределов диапазона толерантности функционируют более эффективно.