3. Основы экологии

Экология (греч. oikos – жилище, logos – наука) – наука о взаимосвязях организмов, видов, сообществ между собой и окружающей средой. Термин «экология» введен Э.Геккелем в 1866г. в его работе «Всеобщая морфология организмов» и означал «экономика природы».

Экология подразделяется на аутэкологию и синэкологию. Аутэкология – экология, изучающая отношения отдельных организмов со средой обитания, а синэкология – экология, изучающая жизненные сообщества видов.

Среда обитания – это все, что окружает организм и прямо или косвенно связано с ним. Отдельные элементы среды, взаимодействующие с организмом, называются экологическими факторами. Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. В зависимости от этого они делятся на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы – элементы неживой природы (свет, температура, влажность, ph среды, соленость, радиоактивное излучение, магнитное поле Земли, давление, виды почв, ветер, течения и др.), которые влияют на живые организмы.

Биотические факторы – это формы взаимодействия живых существ друг на друга. Взаимосвязи организмов – основа существования популяций и биоценозов.

Биотические взаимоотношения бывают внутривидовые и межвидовые.

Внутривидовые взаимоотношения направлены на размножение и расселение вида. Они сложились в результате эволюции и обеспечивают целостность вида. Существуют различные виды внутривидовых отношений: взаимные приспособления, конкуренция и даже каннибализм.

Существует большое разнообразие приспособлений, облегчающих контакты между особями. Такие адаптации С.А.Северцов в 1951г. предложил называть конгруэнциями в отличие от кооадаптаций, т.е. межвидовых приспособлений.

Северцов С.А. установил 5 групп конгруэнций между особями одного вида: между эмбрионами (и личинками) и родительскими организмами (например, взаимные приспособления детенышей и матери у сумчатых); между особями разного пола (образование специальных органов обоняния у самцов и органов, издающих запах у самок); между особями одного пола, в основном самцами (рога и зубы самцов млекопитающих, используемых в боях за самку); братьями и сестрами одного и того же поколения в связи со стадным образом жизни (яркие цветовые отметины на оперении птиц, способствующих взаимному распознаванию); между полиморфными особями (у общественных насекомых наблюдается специализация особей к выполнению определенных функций в жизни колоний).

Большое значение среди внутривидовых взаимоотношений занимает конкуренция, которая за довольно короткое время может повлиять на число погибших и родившихся особей, на рост и распределение биомассы в пределах популяции.

Нередок и такой тип внутривидовых взаимоотношений, как каннибализм, например, в выводках хищных зверей и птиц, особенно в голодные годы, а также при неравномерном развитии отдельных детенышей и птенцов.

Межвидовые отношения живых организмов очень разнообразны. Это конкуренция, хищничество и различные формы симбиоза.

Конкуренция (от греч. сonkurere – бежать вместе, соперничать) – форма взаимоотношения между особями одного или различных видов в одинаковых условиях среды. Конкурентные отношения между видами возникают тогда, когда существуют определенные противоречия между численностью и потребностями консументов, с одной стороны, и количеством, или запасом доступных ресурсов – с другой. Например, саранчовые, грызуны и копытные, питающиеся травами, вступают между собой в конкурентные взаимоотношения.

Хищничество – это способ добывания пищи животными (редко растениями), при котором они ловят, умертвляют и поедают других животных. Хищничество встречается практически среди всех типов животных – от простейших до хордовых, а также среди насекомоядных растений.

Симбиоз (от греч. symbiosis – совместная жизнь) – это различные формы тесного сожительства разноименных организмов, составляющих симбионтную систему. Термин «симбиоз» предложил немецкий ботаник Г.А.Де Бари в 1879г.

Симбиоз различных организмов существует в разных формах:

а) мутуализм (от греч. mutuus – взаимный) – взаимовыгодное сожительство (ассоциация между растениями и азотфиксирующими бактериями в корневых клубеньках бобовых растений; симбиоз грибов и деревьев, образующих микоризу; сожительство водорослей и грибов, образующих лишайники и др.);

б) Комменсализм (от лат. com – с, вместе и mensa – стол, трапеза) – форма симбиоза, при которой один из партнеров (комменсал) использует другого (хозяина) для регуляции своих контактов с внешней средой, но не вступая с ним в тесные взаимоотношения. Основой для комменсализма могут быть общее пространство, кров, но чаще пища. Комменсал использует особенности образа жизни хозяина, не причиняя ему вреда. Комменсалами являются рыбки-лоцманы, которые сопровождают крупных морских животных – акул, дельфинов и кормятся остатками пищи этих животных, или гиены, подбирающие остатки, недоеденной львами добычи. Такие отношения между видами называются нахлебническими;

в) Синойкия (от греч. syn – вместе, oikos – дом, жилище) – квартиранство. Это пример перехода нахлебничества в более тесные взаимоотношения между видами, при котором один организм использует жилище животного-хозяина. Квартиранты обычно питаются остатками пищи хозяина.

Примерами синойкии может быть сожительство крупных медуз и мальков рыб, которые прячутся под зонтиками медуз, снабженных стрекательными клетками. Другой пример - в гнездах птиц и норах грызунов обитает огромное количество насекомых и клещей;

г) Паразитизм (от греч. parositos - нахлебник) - взаимоотношения, при которых один организм использует другого как место обитания и источник питания. Паразитизм известен на всех уровнях организации живого, начиная с вирусов и бактерий и заканчивая высшими растениями и многоклеточными животными, он носит антагонистический характер. Особенно паразитизм распространен среди простейших, червей и членистоногих. Имеется немало классов животных, ведущих паразитический образ жизни. К ним относятся споровики, трематоды, цестоды.

Антропогенные факторы – непосредственные воздействия человека на организмы или воздействия через изменение им среды обитания. Это пирогенная деятельность человека (пожары, вызванные человеком), пастбищная, лесоэксплуатационная, техногенная и др. виды деятельности, приносящие вред окружающей среде.

Живые организмы, взаимодействующие друг с другом и элементами неживой природы, образуют экологические системы – биоценозы (сообщества) и биогеоценозы (экосистемы).

Биоценоз (от греч. boinos – общий) – взаимообусловленная совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих боле или менее однородный участок суши. Термин «биоценоз» получил распространение преимущественно в немецкой и русской научной литературе, в англоязычной литературе используется нейтральный термин сообщество (community).

Биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно самоподдерживающаяся природная система, или экосистема. Биогеоценозы могут сформироваться на любом участке земной поверхности. Они могут быть степными, болотными, луговыми, могут быть культурными или агроценозами. Понятие о биогеоценозе введено в науку В.Н. Сукачевым в 1940г.

В структуре биогеоценозов можно всегда выделить 4 звена:

1. абиотическое окружение, т.е. весь комплекс факторов физической среды, из которой биоценоз черпает средства жизни и куда выделяет продукты обмена;

2. комплекс продуцентов (от лат. producentis – производящий), т.е. организмов, обеспечивающих органическим веществом и энергией все живущее население в биогеоценозе.

3. комплекс консументов (от лат. consumo – потребляю), комплекс организмов, живущих в биогеоценозе за счет органических веществ, созданных продуцентами – это гетеротрофные растительноядные и плотоядные животные.

4. комплекс редуцентов (от лат.reducentis – возвращающий, восстанавливающий строение) – организмов, разлагающих отмершую органику до минерального состояния.

Между всеми звеньями биогеоценоза устанавливается динамическое равновесие – экологический гомеостаз. Способность к саморегуляции – важнейшая черта биогеоценоза. Каждый биогеоценоз испытывает закономерную смену своих сообществ – экологическую сукцессию. Сукцессия завершается формированием сообщества, видовой состав которого в дальнейшем изменяется незначительно.

Между организмами, входящими в биоценоз, на первом месте стоят пищевые связи. Они обладают определенной последовательностью В начале пищевой цепи всегда находятся зеленые растения, в конце – хищники, т.е. консументы. Например, кузнечик поедает траву, кузнечика поедает лягушка, лягушку – уж, ужа – хищная птица. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем (греч. trophos – питание). Первый трофический уровень занимают первичные продуценты, организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами, и т.д. При каждом очередном переносе 80-90% потенциальной энергии теряется, рассеиваясь в форме теплоты и примерно 10% расходуется на увеличение массы тела и поддержания жизнедеятельности последующего звена пищевой цепи. Такая природная закономерность называется правилом экологической пирамиды. Это обстоятельство ограничивает число звеньев в цепи от трех до пяти.

Различают пирамиду чисел, отражающую число особей на каждом этапе пищевой цепи, пирамиду биомассы – количество синтезируемого на каждом уровне органического вещества и пирамиду энергии – количество энергии в пище. В реальных условиях цепи питания могут перемешиваться, образуя сети питания. Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных уровнях. В рацион человека, например, входит как растительная пища, так и мясо травоядных и плотоядных животных. Поэтому человек выступает как консумент первого, второго и третьего порядка. Чем больше видовое разнообразие в биоценозе, тем он устойчивее.

Трофические цепи, начинающиеся с фотосинтезирующих организмов, называются цепями выедания, или пастбищными. Цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, называются цепями разложения, или детритными цепями. Детрит – это растительный и животный опад.

Пример пастбищной цепи был приведен выше, а примером детритной цепи может быть следующая цепь: листовая подстилка  дождевой червь.

Пример. Биомасса сухой травы с 1м² вино-овсяного поля составляет 300г. На основании правила экологической пирамиды определить, сколько гектаров вино-овсяного поля потребуется, чтобы прокормить в течение года ребенка с массой 32кг (43% из них составляет вода) при пищевой цепи: трава – корова – человек.

Решение. Сначала находим сухой вес ребенка. Если 43% составляет вода, то на сухой вес приходится 100% - 43% = 57%

32кг - 100%

Х кг - 57%

Х = (3257)/100 = 18,24кг

Далее составляем пищевую цепь:

1824кг 182,4кг 18,24кг

трава – корова – человек

Правило экологической пирамиды говорит о том, что ребенку для набора тела с массой в 18,24кг нужно употреблять молока (или мяса) коровы в 10 раз больше, так как только 10% энергии предыдущего звена перейдет в биомассу его тела. Корове по той же причине нужно съесть в 10 раз больше сухой травы с винно-овсяного поля, т.е. 1824кг.

Определяем площадь поля: