Учебно-методический комплекс по экологии составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и типовой (примерной) программы дисциплины "Основы экологии".

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание 2.1 П о н я т и е э к о с и с т е м ы. Оток вещества, энергии и информации от солнца и других космических источников. Микроорганизмы микробоценоз Вынос вещества, энергии и информации из Обмен органическим и неорганическим Поток вещества, энергии и информации 1. Естественные (природные) 2. Искусственные (антропогенные) 2.3 Понятие э к о л о г и ч е с к и х ф а к т о р ов А. Абиотические факторы; Б А. Абиотические факторы Б. Биотические факторы Принципы и законы экологии. 3.2. Закон толерантности шелфорда 3.3. Закон экологической сукцессии.

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по «Финансовому менеджменту» составлен в соответствии, 1953.25kb.
• Учебно-методический комплекс Специальность: 080505 Управление персоналом Москва 2009, 811.89kb.
• Маторина Юлия Николаевна, к ю. н., преподаватель учебно-методический комплекс, 645.28kb.
• Калугина Светлана Афанасьевна, к т. н., профессор учебно-методический комплекс, 951.13kb.
• Учебно-методический комплекс Для специальностей: 080102 «Мировая экономика» 080105, 1696.03kb.
• Богданкевич Елена Викторовна Преподаватель кафедры Налогов и налогообложения учебно-методический, 1574.49kb.
• Курило Лариса Витальевна, кандидат педагогических наук, доцент учебно-методический, 718.29kb.
• Малых Татьяна Викторовна, Ст преподаватель учебно-методический комплекс, 771.6kb.
• Комаров Василий Михайлович к э. н., доцент учебно-методический комплекс, 370.4kb.
• Учебно-методический комплекс для всех специальностей и направлений подготовки Москва, 2281.78kb.

^

2.1 П О Н Я Т И Е Э К О С И С Т Е М Ы.

Основным фундаментальным понятием и объектом в экологии является экосистема. В настоящее время в научной литературе сформировалось несколько определений экосистемы. Приведем некоторые из них.

Экологическая система или экосистема – это простран-ственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Любая экосистема состоит из двух частей (двух блоков): биотической и абиотической.

Биотическая часть экосистемы (биота) или биоценоз (от гр. bios – жизнь, koinos – сообщество) образована совокупностью всего входящего в нее живого вещества, т.е. флоры, фауны и микроорганизмов.

Основной функциональной единицей биоценоза является популяция.

Популяция – это совокупность разновозрастных особей одного вида, обменивающихся генетической информацией, объединенных общими условиями существования, необходимыми для поддержания численности в течение длительного времени: общность ареала, происхождения, свободное скрещивание и т.д. Популяция характеризуется рядом признаков, носителями которых является именно популяция (группа), но не отдельные особи, такими как: плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура, половая структура, пространственная структура, динамика численности и т.д.

Совокупность популяции разных видов, которые функционируют в определенном пространстве, образуют биоценоз.

Абиотическая часть экосистемы (экотоп) или биотоп (от гр. bios – жизнь, topos – место) – образована совокупностью всего входящего в нее неживого вещества с его свойствами, т.е. неживое органическое и неорганическое вещество почвы, вода, воздух, энергия, информация.

Причем, экосистема является не простой механической совокупностью биотопа и биоценоза, а биотоп и биоценоз взаимосвязаны в экосистеме, активно воздействуют друг на друга, образуя взаимозависимое единство и находясь при этом в относительно устойчивом состоянии. Сообщество организмов и физическая среда развиваются и функционируют как единое целое, как система.

Более конкретизированное определение экосистемы может быть сформулировано так:

Любое единство, включающее все организмы, населяющие данную область, и взаимодействующее с физической средой таким образом, что внешний поток энергии и информации создает определенное видовое разнообразие, обмен веществ между биотической и абиотической частями внутри системы и определенную трофическую структуру (цепи питания), представляет собой экологическую систему или экосистему.


2.2 С Т Р У К Т У Р А Э К О С И С Т Е М Ы.


Структурная схема (блочная модель) экосистемы, предложенная российским экологом В.Н. Сукачевым, графически изображена на рис.2.


П^ ОТОК ВЕЩЕСТВА, ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ ОТ СОЛНЦА И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ.

БИОТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ БИОЦЕНОЗ АБИОТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ БИОТОП (ЭКОТОП) ^ МИКРООРГАНИЗМЫ МИКРОБОЦЕНОЗ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ ФИТОЦЕНОЗ ЖИВОТНЫЙ МИР ЗООЦЕНОЗ ВОДА ГИДРОСФЕРА ГИДРОТОП ВОЗДУХ АТМОСФЕРА КЛИМАТОП ПОЧВА ЛИТОСФЕРА ЭДАФОТОП ^ ВЫНОС ВЕЩЕСТВА, ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ ИЗ ЭКОСИСТЕМЫ. ^ ОБМЕН ОРГАНИЧЕСКИМ И НЕОРГАНИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ, ЭНЕРГИЕЙ И ИНФОРМАЦИЕЙ Э К О С И С Т Е М А (Б И О Г Е О Ц Е Н О З)

^ ПОТОК ВЕЩЕСТВА, ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ

ИЗ НЕДР ЗЕМЛИ.


Рис.2. Структурная схема (блочная модель) экосистемы.


Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием четырех основных составляющих:

1) биотопа;

2) биоценоза;

3) потока вещества, энергии и информации, пронизывающего

экосистему;

4) круговорота веществ внутри экосистемы.

С точки зрения теории систем экосистемы относятся к типу открытых, т.е. обмениваются с внешней средой и веществом, и энергией, и информацией.

Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Ценность этого понятия в его универсальности – оно приложимо как к относительно простым искусственным экосистемам (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль),так и к сложным естественным (озеро, лес, океан, биосфера). В частном случае конкретная экосистема может и не содержать одного или более блоков, входящих в структурную схему. Например, различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты густую пеструю мозаику.

П р и м е р ы э к о с и с т е м:

^ 1. Естественные (природные):

а) микроэкосистемы (лесная кочка, лужица);

б) мезоэкосистемы ( роща, степь, озеро);

в) макроэкосистемы (тайга, океан).

^ 2. Искусственные (антропогенные): сельскохозяйственное поле,

городской парк, искусственное водохранилище, город.

Особенностью искусственных экосистем является то, что они не могут длительно сохранять свое состояние без поддержания его человеком, т.е. без внесения извне значительной энергии.

Самая крупная и наиболее близкая к идеалу "самообеспечения" экосистема, известная науке, – это биосфера, которая включает все живые организмы Земли, находящиеся в постоянном взаимодействии с физической средой Земли, в результате чего эта система, через которую проходит поток вещества, энергии и информации от Солнца, из космоса и из недр Земли, находится в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Экосистема – понятие весьма широкое. Его главное значение для экологической теории состоит в том, что оно подчеркивает обязательное наличие материальных, энергетических и информационных взаимоотношений, взаимозависимостей и причинно-следственных связей между отдельными блоками, иначе говоря, объединения блоков в функциональное целое. Экосистема является основной функциональной единицей экологии.


^ 2.3 ПОНЯТИЕ Э К О Л О Г И Ч Е С К И Х Ф А К Т О Р ОВ.


Экологическими факторами называются важные для жизни организма компоненты окружающей среды, с которыми он неизбежно сталкивается.

Экологические факторы могут быть необходимы или вредны для живых существ, способствовать или препятствовать жизнедеятельности.

Совокупность экологических факторов, обуславливающих рост, развитие, выживание и воспроизводство потомства организмами образует условия существования.

Экологические факторы могут быть классифицированы по различным признакам.

1. По расположению источника фактора относительно границы экосистемы принято различать внешние и внутренние факторы.

Внешние факторы воздействуют на экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия (солнечная радиация, атмосферное давление, ветер и т.п.).

Внутренние факторы связаны со свойствами самой экосистемы и образуют ее состав (пища, концентрации веществ, состав воздуха, численность популяции и т.п.).

По изменению во времени (динамике) различают факторы:

– периодические (смена времени суток, времен года, приливно-

отливные явления и т.п.);

– действующие без строгой периодичности (погодные

явления, наводнения, ураганы, землетрясения и т.п.);

– факторы направленного действия, изменяющиеся в одном

направлении (потепление или похолодание климата,

заболачивание территорий и т.п.).

2. В соответствии со структурой экосистемы, содержащей абиотическую и биотическую части (см. рис.1), в ней могут быть выделены два класса факторов, определяющих ее состояние:

^ А. Абиотические факторы;

Б. Биотические факторы.

Особый класс составляют антропогенные факторы, характеризующие различные воздействия человека на неживую и живую природу.

^ А. Абиотические факторы в соответствии со структурой биотопа разделяются на климатические, географические, эдафические и гидрологические.

- Климатические факторы характеризуют физико-химические свойства атмосферы. К ним относятся: температура, влажность, давление, скорость движения, степень ионизации воздуха, освещенность. Климатические факторы имеют первостепенное значение, т.к. именно от этих факторов, в первую очередь, зависит географическое распространение видов животных и растений на земной поверхности. Газовый состав воздуха, содержание посторонних газов, примесей, пыли и т.п., вообще говоря, не являются климатическими факторами, но характеризуют состояние атмосферного воздуха.

- Географические факторы (географическая широта, продолжительность дня и ночи, рельеф местности).

- Эдафические факторы (от гр. edaphos – почва) характеризуют физико-химические свойства почвы. К ним относятся: состав, структура и влажность почвы. Эдафические факторы важны для наземных животных и особенно обитателей почвы, а также для всех растений.

- Гидрологические факторы (от гр. hydor – вода) характеризуют физико-химические свойства воды. К ним относятся: температура, содержание солей, газов (в первую очередь кислорода и углекислого газа), микроэлементов, течение, волнение и т.д. Гидрологические факторы являются определяющими для рыб и других водных организмов.

К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующее излучение. Абиотические факторы могут быть охарактеризованы количественно и доступны для объективного измерения.

^ Б. Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия на конкретный организм других организмов, населяющих общую среду обитания. Биотические факторы принято разделять на внутривидовые и межвидовые, антогонистические и неантогонистические.

- Внутривидовые биотические факторы действуют внутри данного вида в популяции. К ним относятся:

а) демографические факторы (численность и плотность популяции, продолжительность жизни особей, плодовитость, смертность и т.п.);

б) этологические факторы, т.е. поведенческие, играющие

значительную роль у животных с развитой психикой (контакты между членами семьи, группы, стада, популяции, отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции и т.п.).

- Межвидовые биотические факторы действуют между

представителями разных видов, населяющих одну экосистему.

К ним относятся:

а) антогонистические:

• хищничество
  
• паразитизм
  
• конкуренция
  

б) неантогонистические:

• симбиоз (от гр. symbiosis – сожительство), – это
  

обоюдовыгодные, но не обязательные взаимоотношения разных видов организмов;

• мутуализм (от лат. mutuus – взаимный), –
  

взаимовыгодные и обязательные для роста и выживания отношения организмов разных видов;

• комменсализм (от лат. commensalis – сотрапезник), –
  

взаимоотношения, при которых один из партнеров извлекает выгоду, а другому они безразличны;

• нейтрализм – взаимоотношения, при которых
  

организмы практически не оказывают влияния друг на друга.

По расположению источника	По изменению во времени	В соответствии со структурой экосистем Абиотические Биотические
Внешние Внутренние	Периодические Непериодические Направленного действия	климатические гидрологические эдафические географические	Внутривидовые демографические этологические	Межвидовые антогонистические неантогонистические

3.^ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ.


3.1. ЗАКОН МИНИМУМА Ю. ЛИБИХА.


В 1840 году немецкий химик Юстус Либих, выращивая растения на синтетических средах, обнаружил, что для нормального роста растения необходимо определенное число и количество химических элементов и соединений. Одни из них должны находится в среде в очень больших количествах, другие в малых, а третьи вообще в виде следов. И, что особенно важно: одни элементы не могут быть заменены другими. Среда, содержащая все элементы в изобилии, кроме одного, обеспечивает рост растения лишь до того момента, пока количество последнего не будет исчерпано. Рост ограничивается, таким образом, нехваткой единственного элемента, количество которого было ниже необходимого минимума. Этот закон, сформулированный Ю. Либихом применительно к роли химических эдафических факторов в жизни растений и названный им законом минимума, имеет, как выяснилось позже, универсальный экологический характер и играет важную роль в экологии.

Закон минимума: “Если все условия окружающей среды оказываются благоприятными для рассматриваемого организма за исключением одного, проявленного недостаточно (значение которого приближается к экологическому минимуму), то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим фактором, приобретает решающее значение для жизни или смерти рассматриваемого организма, а следовательно, его присутствия или отсутствия в данной экосистеме”.


^ 3.2. ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТИ ШЕЛФОРДА.


В 1913 году американский эколог В. Шелфорд обобщил закон минимума Либиха, открыв, что кроме нижнего предела интенсивности существует также и верхний предел интенсивности факторов внешней среды, определяющий верхнюю границу диапазона интенсивностей, соответствующего условиям нормальной жизнедеятельности организмов. В этой формулировке закон, названный экологическим законом толерантности, стал иметь более общий универсальный характер.

Закон толерантности (лат. tolerantia – терпение): ” Каждый организм характеризуется экологическим минимумом и экологическим максимумом интенсивности каждого фактора внешней среды, в пределах которых возможна жизнедеятельность“.

Диапазон экологического фактора между минимумом и максимумом называется диапазоном или областью толерантности.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия и в ответных реакциях живых организмов можно выявить ряд общих закономерностей.

Количественный диапазон фактора, наиболее благоприятный для жизнедеятельности, называется экологическим оптимумом (лат. оptimus –

наилучший). Значения фактора, лежащие в зоне угнетения, называются экологическим пессимумом (лат. pessimum – наихудший).

Минимальные и максимальные значения фактора, при которых наступает гибель, называются соответственно экологическим минимумом и экологическим максимумом.

Причем, как правило, эта зависимость не является симметричной.

Например, по такому фактору как температура, экологический максимум соответствует температурам, при которых разрушаются ферменты и белки (+50  +60 С). Однако отдельные организмы могут существовать и при более высоких температурах. Так, в горячих источниках Камчатки и Америки обнаружены водоросли при t > +80 С. Нижний предел температуры, при котором возможна жизнь, около 70 С, хотя кустарники в Якутии не вымерзают даже при такой температуре. В анабиозе (гр. anabiosis – выживание), т.е. в неактивном состоянии, некоторые организмы сохраняются при абсолютном нуле (273 С).


Итак, организмы в природе зависят от:

1) интенсивности факторов внешней cреды;

2) диапазона толерантности самих организмов по отношению к

этим факторам.

Взаимоотношения между организмами и средой могут быть очень сложными, но, к счастью, не все возможные факторы внешней среды одинаково важны в каждой данной ситуации или для данного организма. Если для организма характерен широкий диапазон толерантности по фактору, который отличается относительным постоянством и присутствует в среде, в достаточных количествах, вряд ли такой фактор может оказаться лимитирующим. И, наоборот, если известно, что тот или иной организм обладает узким диапазоном толерантности к какому-то изменчивому фактору, то именно этот фактор заслуживает изучения как лимитирующий.

Цель экологического анализа среды состоит не в том, чтобы составить длинный некритический перечень возможных факторов, а в том, чтобы средствами наблюдения, анализа и эксперимента выявить функционально важные факторы и выяснить как эти факторы влияют на особей, популяции и биоценозы.

Значение лимитирующих факторов дает ключ к управлению экосистемами.


^ 3.3. ЗАКОН ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СУКЦЕССИИ.


Развитие экосистемы, называемое экологической сукцессией (succesio – преемственность, последовательность), можно определить по следующим трем характерным признакам:

1) это упорядоченный процесс развития биоценоза, связанный с изменениями во времени видовой структуры и протекающих в обществе процессов; он определенным образом направлен и, следовательно, предсказуем;

2) сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием биоценоза, т.е. сукцессия контролируется биоценозом, несмотря на то, что физическая среда определяет характер сукцессии, скорость изменения, а часто и устанавливает пределы, до которых может дойти развитие;

3) кульминацией развития является стабилизированная экосистема, в которой на единицу имеющегося потока вещества, энергии и информации приходится максимальная биомасса, максимальный генофонд и максимальное количество симбиотических связей между организмами для данного биотопа.

Смена стадий в сукцессиях вызывается тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическим и абиотическим компанентами. Если сукцессионные изменения определяются в основном внутренними взаимодействиями, то говорят об аутогенной (гр. outos – сам), т.е. самопорождающейся сукцессии. Если изменения вызываются внешними по отношению к экосистеме силами (шторм, пожар, антропогенные воздействия), то такую сукцессию называют аллогенной (гр. allos – другой, иной), т.е. порожденной извне. Например, вырубка в лесу быстро заселяется окружающими деревьями, луг может смениться на скальных склонах, голых песчаниках, на улицах покинутых поселков и т.п. Процессы сукцессии непрерывно идут по всей планете.

Сукцессия, начинающаяся на участке, прежде не занятом, называется первичной. Как правило, ее составляют виды с высокой экологической валентностью, например, поселения лишайников на камнях. Под действием лишайников каменистый субстрат постепенно превращается в подобие почвы, чем создаются условия для поселения видов с более низкой экологической валентностью. На образовавшейся почве поселяются затем кустистые лишайники, зеленые мхи, травы, кустарники и т.д. Если сообщество развивается на месте уже существовавшего, то говорят о вторичной сукцессии. Сукцессия начинается с несбалансированного сообщества, у которого продукция органического вещества П либо больше, либо меньше скорости дыхания Д, и сообщество стремится к состоянию, когда П=Д. Сукцессия, начинающаяся при П>Д, называется автотрофной, а при П<Д – гетеротрофной. Отношение П/Д является функциональным показателем зрелости экосистем.

Терминальное стабилизированное состояние экосистемы называется климаксом (гр. klimax – лестница, зрелая ступень).