3164

11

Вопросы для самоконтроля

1.Как называются компоненты неживой природы, которые воздействуют на живые организмы?

2.Как называются изменения в строении организма в результате приспособления к среде обитания?

3.Что значит экологическая толерантность организма?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

Популяция.

Популяция – это совокупность особей одного вида, способных свободно скрещиваться, имеющих общий генотип, населяющих одну территорию, более или менее изолированная от аналогичных совокупностей пространством или временем. Выделяют статические и динамические показатели популяции.

Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. К ним относятся: численность, плотность, показатели структуры.

Численность – это поголовье животных или количество растений в пределах некоторой пространственной единицы – ареала, бассейна, района.

Плотность – это число особей, приходящихся на единицу площади.

К показателям структуры относятся:

-половой – это соотношение полов в популяции;

-возрастной – это соотношение возрастов в популяции;

-размерный – соотношение размеров.

Важнейшим условием существования популяции или ее экотипа является их толерантность к факторам среды. Толерантность разных особей к разным частям спектра разная, поэтому толерантность популяции значительно шире, чем у отдельных особей.

Динамические показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток времени. К ним относятся рождаемость, смертность, скорость роста популяции.

Рождаемость – это число особей, рождающихся в популяции за промежуток времени. При рассмотрении экосистем пользуются показателем «продукция» – это сумма прироста массы всех особей из множества популяций биогенного сообщества за промежуток времени.

Смертность – это число особей, погибших в популяции за промежуток времени. Но убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции (прибывший) и эмиграции (убывший) в популяции в единицу времени.

За бесконечно малый промежуток времени мы получим мгновенную удельную рождаемость. Эта величина зависит от интенсивности размножения особей: для бактерий – час, для фитопланктона – сутки, для насекомых – недели

12

и так далее. Смертность – величина, обратная рождаемости, и определяется аналогичным образом.

Продолжительность жизни вида зависит от условий жизни. Различают физиологическую и максимальную продолжительность жизни.

Физиологическая продолжительность жизни – это продолжительность жизни, которая определяется только физиологическими особенностями организма. Она возможна лишь теоретически, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие факторы.

Максимальная продолжительность жизни – это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды. Эта величина варьирует в широких пределах: от нескольких минут у бактерий до нескольких тысячелетий у древесных растений (секвойя). Обычно чем крупнее растение или животное, тем больше их продолжительность жизни.

Смертность и рождаемость у организмов весьма существенно изменяются с возрастом. Только увязав смертность и рождаемость с возрастной структурой популяции, можно вскрыть механизмы общей смертности и определиться со структурой продолжительности жизни. Такую информацию можно получить с помощью таблиц выживания.

Таблицы выживания, или еще их называют демографическими таблицами, содержат сведения о характере распределения смертности по возрастам и используются для определения ожидаемой продолжительности жизни человека. Таблицы выживания бывают динамические и статистические.

Динамические таблицы строятся по данным прямых наблюдений за жизнью когорты, т.е. большой группы особей, отраженных в популяции за короткий промежуток времени, и регистрации возраста наступления смерти всех членов этой когорты. Такие таблицы требуют длительного наблюдения, измеряемого месяцами или годами. Поэтому используют другие таблицы – статистические.

Статистические таблицы выживания составляются по данным наблюдений за смертностью за относительно короткий промежуток времени в отдельных возрастных группах. Зная численность этих групп (сосуществующих когорт), можно рассчитать смертность, специфическую для каждого возраста.

Данные таблиц выживания позволяют построить кривые выживания. Выделяют три основных типа кривых выживания (рис. 1). Кривая А типа, когда на протяжении всей жизни смертность мала, резко возрастая в конце нее, характерна для насекомых, которые обычно гибнут после кладки яиц (ее называют «кривой дрозофилы»), к ней приближаются кривые выживания человека в развитых странах и некоторых крупных млекопитающих.

Кривая В типа – случаи массовой гибели особей в начальный период жизни. Гидробионты и некоторые другие организмы, не заботящиеся о потомстве, выживают за счет огромного числа личинок, икринок, семян и т.п. Моллюски до закрепления на дне проходят личиночную стадию в планктоне, где личинки гибнут в огромных количествах, поэтому кривую III называют еще «кривой устрицы».

13

Кривая Б типа (диагональная) характерна для видов, у которых смертность остается примерно постоянной в течении всей жизни. Она характерна для рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.

Кривые выживания часто представляют собой комбинацию указанных выше «основных типов». Например, у людей, живущих в отсталых странах, кривая А вначале круто падает за счет повышенной смертности сразу после рождения.

Рис.1 Типы кривых выживания.

Динамика роста численности популяций

Еще в XVII в. заметили, что численность популяций растет по закону

геометрической прогрессии, а уже в конце XVIII в. Томас Мальтус (1766-1834)

выдвинул известную теорию о росте народонаселения в геометрической прогрессии.

Экспоненциальный рост возможен только тогда, когда r имеет постоянное численное значение, т.е. экспоненциальный рост численности популяции – это рост численности ее особей в неизменяющихся условиях (Рис.2). Но такие условия невозможны в природе.

Рис.2 Кривые роста популяции

Воздействие экологических факторов на скорость роста популяции может довести численность популяции до стабильной, либо ее уменьшить, т.е.

15

Описание полового и возрастного состава популяции называют:

1)индексом численности; 2) потенциалом; 3) пирамидой численности; 4) демографией.

Задание № 9. Выберите правильный ответ:

Для соотношения процессов рождаемости, смертности, плодовитости и роста численности особей в популяции используется такая характеристика, как:

1)плотность популяции; 2) биотический потенциал; 3) экологическая стратегия; 4) распределение особей в пространстве.

Задание № 10. Выберите правильный ответ:

Процессы снижения численности в отдельных популяциях характеризуют показателем, который называют:

1)рождаемостью; 2) плотностью; 3) смертностью; 4) изменчивостью. Задание № 11. Выберите правильный ответ:

Характеристику процессов изменений основных биологических

показателей популяции во времени называют:

1)гомеостазом популяции; 2) запасом популяции; 3) плотностью популяции; 4) динамикой популяции.

Задание № 12. Выберите правильный ответ:

Пределы ресурсов местообитания конкретной популяции, за счет которых она существует (пища, убежища, подходящие места для размножения), называют:

1)емкостью среды; 2) экологической нишей; 3) биотическими связями; 4) регуляцией численности.

Задание № 13. Выберите правильный ответ: Неограниченный рост численности популяции сдерживается:

1)действием факторов внешней среды; 2) количественным соотношением мужских и женских особей; 3) спецификой физиологии женских особей; 4) связями между особями разных поколений.

Задание № 14. Выберите правильный ответ:

Естественный отбор у животных, выкармливающих и оберегающих свое потомство, направлен на поддержание:

1)максимального для данного вида числа потомков; 2) оптимального в данных условиях числа потомков; 3) равного числа мужских и женских особей репродуктивного возраста; 4) пропорционального распределения особей по разным возрастам.

Задание № 15. Выберите правильный ответ:

Биоценозом называют: 1) совокупность организмов и среды обитания, связанных круговоротом веществ; 2) группу совместно живущих организмов одного вида; 3) совокупность совместно живущих организмов, принадлежащих

кразным видам; 4) комплекс ландшафта и почвенно-климатических условий данного местообитания.

Задание № 16. Выберите правильный ответ:

Участок абиотической среды, которую занимает биоценоз, называют:

1)экотопом; 2) ареалом; 3) экосистемой; 4) биотопом.

16

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4

Экологические системы. Динамика экосистем Энергетика экосистем

Экосистема является основным понятием экологии. Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов (редуцентов), 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. 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. Более простые экосистемы входят в состав более сложных. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических.

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 растения синтезируют 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.

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). Эти организмы называются хемосинтетиками.

Растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами.

Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются гетеротрофами или консументами. Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются первичными консументами или консументами первого порядка. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы.

17

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.

Организмы, специализирующиеся на питании детритом, называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п. Как и в случае консументов, различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.

Значительная часть детрита в экосистеме 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 замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Совокупность живых организмов, составляющих структурную основу, экосистемы представляют отдельные виды, популяции и биоценозы.

Сети питания состоят из множества коротких рядов, в которых организмы передают друг другу вещество и энергию, сконцентрированные зелеными растениями. Такие ряды, в которых каждый предыдущий вид служит пищей последующему, называют цепями питания, или трофическими цепями. Отдельные звенья цепей питания называют трофическими уровнями.

Цепи питания всегда начинаются с растений или их остатков, прошедших через кишечники животных. Это первый трофический уровень. Их потребители представляют второй трофический уровень и т. д. Примерами цепей питания могут служить ряды: растения – гусеницы и бабочки-имаго – насекомоядные птицы – хищные птицы; растительный опад – дождевые черви – землеройки– горностаи; коровий помет – личинки мух – скворцы – ястребы-перепелятники.

Многие виды могут входить в разные цепи питания. Например, медведи питаются и животной, и растительной пищей, и падалью. Различают цепи выедания (начинаются с живых растений) и цепи разложения (начинаются с мертвого растительного опада или помета животных). Цепи питания в природе сложно переплетены.

В конкретных цепях питания можно проследить и рассчитать передачу той энергии, которая заключается в растительной пище. Растения связывают в ходе фотосинтеза в среднем лишь около 1 % энергии света. Животное, съевшее растение, получает запасенную им энергию не полностью. Часть пищи не переваривается и выделяется в виде экскрементов. Обычно усваивается от 20 до 60% растительного корма. Усвоенная энергия идет на поддержание жизнедеятельности животного. Работа клеток и органов сопровождается выделением тепла, поэтому значительная доля энергии пищи вскоре рассеивается в окружающее пространство. Лишь небольшая часть усвоенной

18

пищи идет на рост, т. е. на построение новых тканей, на запасы в виде отложения жиров. У молодых эта доля несколько больше, чем у взрослых.

Следовательно, уже на первом этапе происходит значительная потеря энергии из пищевой цепи. Хищник, съевший растительноядное животное, представляет третий трофический уровень. Он получает только ту энергию из накопленной растением, которая задержалась в теле его жертвы в виде прироста.

Подсчитано, что на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90%, и только около одной десятой доли переходит к очередному потребителю. Это правило передачи энергии в пищевых связях организмов называют правилом десяти процентов.

Представителям четвертого трофического уровня (например, хищнику, поедающему другого хищника) достанется только около одной тысячной доли той энергии, усвоенной растением, с которого начиналась пищевая цепь. Поэтому отдельные цепи питания в природе не могут иметь слишком много звеньев, энергия в них быстро иссякает.

Для человека энергетически выгоднее растительное питание, а наиболее дорого – использование в пищу хищных видов. Но одна растительная пища для людей недостаточно полноценна, так как подавляющее большинство растений не обеспечивает людей некоторыми незаменимыми аминокислотами, входящими в состав животных белков. Производство вторичной продукции через выращивание животных, а также добыча диких видов (в основном путем рыболовства) – очень важное условие благополучия общества. Одна из самых злободневных для современного человечества проблем – это так называемое белковое голодание, недостаток животной пищи в рационах людей во многих районах мира.

Задание № 1. В таблице, представленной ниже, показано несоответствие между типами взаимоотношений и соответствующим им понятиям. Определите типы взаимодействий организмов и дайте терминам соответствующие определения, используя сведения таблицы.

Выберите пары живых организмов из предлагаемого ниже перечня, соответствующие одному из типов биотических отношений: карась, муха,

клубеньковые азотфиксирующие бактерии, цапля, лев, человек, дизентерийная амеба, береза, рыба-лоцман, акула, горох, рак-отшельник, росянка, щука, подберезовик, муравей, заяц-беляк, водные бактерии, актиния, тля, шмель, пшеница, бодяг полевой, лосось, гиена, заяц-русак, аскарида, инфузория, клевер, лось, медведь, синица.

В таблицу впишите примеры живых организмов, характеризующих тот или иной тип биотических взаимоотношений.

Задание № 2. Построить трофические цепи в наземных природных сообществах и определить трофические уровни, если дано:

Сообщество А. Растения: горец птичий, клевер луговой, ковыль. Животные: суслик, горностай, сова

Сообщество В. Растения: люцерна хмелевидная, мятлик луговой, резеда желтая, тимофеевка луговая, душистый колосок. Животные: кузнечик, мышь, заяц, ящерица, змея, ястреб.

Задание № 3. Решите задачу: насекомоядные птицы весом 10-30 г. (синицы, воробьи, лазоревки) съедают за день до 30% от собственной массы. Сколько пищи за лето съедает синица весом 20 г.?

Задание № 4. Вставьте пропущенные слова:

Комплекс совместно обитающих видов и связанных между собой называют ___________. В его состав входят виды – производящие органические вещества, использующие компоненты неживой природы и являющиеся связующим звеном между живой и неживой природой, которые называют _________, а также организмы, потребляющие органическое вещество и перерабатывающие его в новые формы. Эти организмы составляют группу

__________, они представлены в основном видами, относящимися к животному миру. Замыкают круговорот веществ в системе организмы, которые потребляют органическое вещество и полностью разлагают его до минеральных

20

соединений. Эти организмы называют _________. Передача энергии, заключенной в химических связях органических веществ – пище осуществляется по _________________.

В биоценозах различают виды, которые в наибольшей степени формируют характерную для сообщества среду, их называют________ .

Единый природный комплекс, который выступает, как функциональное целое и образован живыми организмами и средой их обитания называют

_________. Экосистемы, которые обмениваются с соседними энергией, но не веществом, называют ___________. Экосистему земли в целом называют ____.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

Биосфера Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э.

Зюссом. А в 1926 г. В. И. Вернадский создал учение о биосфере, как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. И сейчас, вслед за Вернадским, биосферой называют область активной жизни, оболочку Земли, населенную живыми организмами, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Вопрос о вертикальных границах биосферы решается неоднозначно. Наиболее насыщен живыми организмами только нижний слой атмосферы - менее 100 метров над землей, но птица кондор способна подняться на высоту 7 км, а токи воздуха уносят микроорганизмы, бактерии, споры грибов вверх до 10 км. И, принимая во внимание принципиальную возможность существования живых существ, верхнюю границу биосферы проводят на высоте от 20-25 км (озоновый слой) до 30 км; нижнюю от нескольких сот метров (зона гипергенеза) до нескольких километров (где встречаются еще анаэробные бактерии), а в Мировом океане – до самых глубоких впадин. Такое понимание термина биосфера близко к понятию географическая оболочка. При более узкой трактовке этого термина, биосфера – это совокупность всех живых организмов, населяющих географическую оболочку, то есть органический мир или живое вещество. Живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя динамические системы глобального, регионального и локального уровней. Видовой состав растений, произрастающих на определенной территории, называется флорой; растительность же – это растительные сообщества (фитоценозы) определенной территории или Земли в целом. Аналогично, видовой состав животных – называют фауной, а всех животных, обитающих на какой-либо территории – животным миром.

Биосфера, как особая оболочка Земли сформировалась в процессе эволюции. Миллиарды лет геологической истории увеличивалось разнообразие живых организмов, усложнялась их организация, возрастала их общая масса и