Лабораторная работа № 2. Изучение структуры и энергетики экосистем

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить структуру экосистемы и компоненты биоценоза, познакомиться с особенностями передачи вещества и энергии в экосистемах между трофическими уровнями.

Освоить методику определения типа распределения особей в пространстве экосистемы.

Задание к работе :

К работе допущен:

Работу выполнил:

Работу защитил:

Ковров. 2012г.

Теоретическое введение

Совокупность популяций различных биологических видов, занимающих определенное пространство, формирует биоценоз. Этот термин впервые предложил Мебиус в 1877 г. Поскольку существование любого биоценоза самым непосредственным образом зависит от факторов неживой природы, компонентов среды - рельефа, почвы, водных объектов, климата (составляющих битоп), то правильней говорить об экосистемах, в состав которых входят популяции.

Каждая популяция характеризуется определенным набором свойств и параметров. Одним из таких свойств является закономерность размещения особей внутри популяции (в целом, можно говорить и о закономерности распределения особей конкретного вида в рамках всего биоценоза). Выделяют три типа распределения особей в пространстве: равномерный (рис. 1 а), дисперсный или случайный (рис. 1 б) и мозаичный (рис. 1 в).

Рис.1.типы распределения особей в пространстве

При равномерном распределении, если проводить экспериментальные замеры (например, отлов животных), количество особей в каждой выборке (группе отловленных животных) будет в среднем равным. В этом случае (с определенными оговорками) можно говорить о случае S²/N_cp → 0, где S - математическая дисперсия, а N_cp - среднее арифметическое количество особей во всех выборках.

В случае S²/N_cp → 1 говорят о случайном распределении особей в популяции, а при условии S²/N_cp > l можно предполагать наличие мозаичного распределение.

Для каждого вида характерен определенный тип распределения, который способствует поддержанию гомеостаза (динамического равновесия) популяции.

По средним значениям количества особей, попавших в выборку можно по специальным методикам определить и примерную численность всей популяции. Зная эту величину и площадь (объем), которую занимает популяция, получают еще одну характеристику - плотность популяции.

Тип распределения и плотность популяции являются важными биологическими и хозяйственными (если речь идет об эксплутационных и экономических свойствах) критериями популяции.

Как уже отмечалось выше, популяции являются составными элементами природных сообществ (экосистем) - биологических систем более высоко уровня, чем популяции. В любом природном сообществе между ее компонентами - отдельными особями, видами, популяциями и т.д. - существует множество функциональных связей. Пищевые или трофические связи является наиболее важными, поскольку они определяют особенности передачи и перераспределение энергии в экосистеме.

Во всех экосистемах энергия передается через трофические сети, состоящие из множества трофических цепей. Организмы, объединенные одним способом получения энергии (питания) формируют трофический уровень (рис. 2).

Рис. 2 Схематическое изображение трофической сети экосистемы

В зависимости от принадлежности к тому или иному трофическому уровню организмы делятся на:

продуценты (производят первичную биологическую продукцию из простых неорганических соединений с помощью энергии света в процессе фотосинтеза или энергии химических связей в процессе хемосинтеза,

консументы (используют в качестве источника энергии первичную или вторичную биологическую продукцию) и

редуценты (преобразуют мертвое органическое вещество в простые неорганические соединения).

Типичными представителями продуцентов являются фотосинтезирующие (зеленые) растения. Консументы в зависимости от принадлежности к трофическому уровню делят на консументов 1-го порядка (например, травоядные животные), 2-го порядка (например, хищники), 3-го порядка (паразиты и сверхпаразиты). Часто по другой классификации количество порядков консументов соответствует количеству занимаемых ими трофических уровней, в этом случае в экосистеме могут присутствовать и консументы 4-го, 5-го и более высоких (очень редко) порядков.

Редуценты представлены преимущественно микроорганизмами (бактериями, грибами др.).

Для наглядности структуру экосистемы представляют не только в виде схемы трофической сети, но и в виде так называемых экологических пирамид. В этом случае, каждый трофический уровень изображается в соответствующем масштабе (в зависимости от количественных значений) в виде прямоугольника (рис. 3).

Рис. 3. Различные конфигурации экологических пирамид

Существует три типа экологических пирамид: пирамиды энергий (иллюстрирует средние значения энергии, поступающей на каждом трофический уровень), пирамида чисел (изображает численный состав каждого трофического уровня) и пирамида биомасс (представляет значения общей биомассы на каждом трофическом уровне). Два последних типа пирамид являются производными от первого.

Поскольку в любой экосистеме основной поток энергии направлен от нижележащих трофических уровней к вышележащим (обратный отток энергии крайне незначителен и не превышает, в лучшем случае, несколько процентов), пирамиды энергий всегда имеют "прямую" форму (рис. 3 а). Пирамиды чисел и биомасс могут иметь как «прямую», так и «перевернутую» формы (рис. 3 б).

Передача энергии в экосистемах подчиняется правилу (закону) 10%, согласно которому в среднем на каждый вышележащий трофический уровень передается не более 10% энергии, сосредоточенной на нижележащем трофическом уровне (остальная энергия рассеивается в окружающей среде в виде тепловой энергии).

Знания о трофической структуре экосистемы, особенностях ее энергетики имеют важное прикладное значение, поскольку позволяют прогнозировать тенденции развития ситуаций, планировать необходимые биотехнические мероприятия, например, применительно к нуждам лесного и сельского хозяйств, решать задачи оптимизации получения наибольшей выгоды от эксплуатации экосистемы при условии ее сохранения.