Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Соболь В.І. Біологія 11 клас. 2019

Біологія + Біорізноманіття. Мурашник як екосистема

У тайзі, соснових борах, густих листяних і змішаних лісах коричневі або сірі, округлі або гостроверхі мурашники є ознакою здорового лісу. Із майже 70 видів мурах, які мешкають на території України, найпоширенішими й найбільш корисними для лісу є мурахи з роду Formica, серед яких руда лісова мураха (Formica rufa). Чому мурашники є екосистемами?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Біоспелеологія. Печерні екосистеми

До найвідоміших печер України належать Оптимістична печера в Тернопільській області як найдовша у світі гіпсова печера з довжиною ходів понад 260 км, Солдатська печера в Криму як найглибша печера України, Кришталева печера на Тернопільщині та печера Атлантида в Хмельницькій області як найгарніші печери. А які особливості й характеристики печерних екосистем?

РЕЗУЛЬТАТ

1.Що вивчає екосистемологія? 2. Наведіть приклади екосистем. 3. Що таке

1– 6 структура екосистеми? 4. Назвіть основні компоненти екосистем. 5. Назвіть основні властивості екосистем. 6. Назвіть функції екосистем.

7.Що є об’єктом дослідження екосистемології? 8. Які особливості структурної

7– 9 організації екосистем? 9. У чому суть основних властивостей та функцій екосистем?

10 – 12 10. На конкретному прикладі опишіть властивості й характеристики екосистем.

§ 39. Екосистемологія. Екосистеми, їх структурна організація

а) видова різноманітність і склад живих організмів; б) структура екосистеми, тобто співвідношення в екосистемі різних груп

організмів; в) біологічна продуктивність, що оцінюється за розмірами первинної та

вторинної біомаси; г) ланцюги живлення та розгалуженість трофічної мережі, що забезпечують

потік енергії через екосистему та швидкість кругообігу речовин; д) мінералізація органічних решток.

Отже, екосистеми, незважаючи на свою різноманітність, мають подібні структуру, функції, властивості й ознаки,

що визначаються їх походженням та еволюційним призначенням.

Як організовується потік речовин, енергії та інформації в екосистемі?

Всередині екосистеми обмін речовин та енергії здійснюється завдяки діяльності продуцентів, консументів і редуцентів, пов’язаних між собою найрізноманітнішими зв’язками, визначальними серед яких є трофічні. Наприклад, у лісі гусінь споживає листя, їх поїдають синиці, на яких полює яструб. Така послідовність називається ланцюгом живлення, а кожна його ланка – трофічним рівнем. Ланцюг живлення (харчовий ланцюг) – це послі- довний ряд живих організмів, пов’язаних харчовими зв’язками, який відображає передачу речовини та енергії в екосистемі.

Першою ланкою більшості ланцюгів живлення є продуценти, якими є автотрофні організми. Наступні ланки трофічних ланцюгів посідають гетеротрофні консументи: рослиноїдні, м’ясоїдні та всеїдні тварини. Рештки організмів ще містять

органічні речовини й енергію, тому можуть бути використані редуцентами. Це сапротрофні бактерії, гриби й тварини.

За джерелом надходження енергії до консументів ланцюги живлення поділяють на пасовищні та детритні. Пасовищ­ ні (або ланцюги виїдання) – це ланцюги, які починаються із зелених рослин і завершуються редуцентами (наприклад, трава – зелений коник – ящірка – яструб). Детритні (або ланцюги розщеплення) – це ланцюги, які починаються з мертвої органічної речовини (решток) і продовжуються безпосередньо редуцентами (наприклад, опале листя – дощовий черв’як – кріт – лисиця) (іл. 66).

§ 40. Екосистеми, їх властивості та характеристики

153

Тема 7. ЕКОЛОГІЯ

У будь-якій екосистемі різні ланцюги живлення не існують окремо один від одного, а формують трофічну мережу (іл. 67).

Отже, функціонування екосистем забезпечується трофічними зв’язками, що поєднують продуцентів, консументів й редуцентів у ланцюги й мережі живлення.

Які закономірності функціонування екосистем?

Усім екосистемам властиві закономірності функціонування, серед яких відмітимо правило екологічної піраміди, закон односпрямованості потоку енергії та закон внутрішньої динамічної рівноваги.

Екосистеми існують завдяки закономірно організованому співвідношенню первинної (біомаса, створена за одиницю часу автотрофними організмами) і вторинної (біомаса, створена за одиницю часу гетеротрофними організмами) біопродукції, що дістало назву правила екологічної піраміди (закон піраміди енергії Р. Ліндемана, (1942):

екологічна ефективність кожної наступної ланки приблизно в 10 разів менша від попередньої внаслідок втрат енергії на кожному трофічному рівні.

Графічно це правило можна зобразити у вигляді піраміди, складеної з окремих блоків. Кожен із цих блоків відповідає продуктивності організмів на певному трофічному рівні ланцюга живлення. Отже, екологічна піраміда – це графічне відображення трофічної структури ланцюга живлення. Залежно від показника, покладеного в основу, є різні види екологічних пірамід: піраміда чисел, піраміда біомаси та піраміда енергії.

Загальну спрямованість енергетичних перетворень в екосистемах характеризує закон односпрямованості потоку енергії:

енергія, що її отримує екосистема, передається в одному напрямку від продуцентів до консументів і редуцентів.

Оскільки із зворотним потоком (від редуцентів до продуцентів) надходить мізерна кількість від вихідної енергії (не більш ніж 0,25 %), говорити про кругообіг енергії не можна. Ця закономірність ілюструє другий закон термодинаміки: будь-який вид енергії врешті-решт перетворюється на тепло.

Закономірність, що розкриває механізм екологічного балансу екосистем, називається законом внутрішньої динамічної рівноваги екосистем (закон Реймерса):

речовини, енергія, інформація та динамічні якості природних екосистем перебувають у тісному взаємозв'язку, за якого зміна одного з показників неминуче призводить до змін інших за умови збереження загальних властивостей системи.

Отже, подібність екосистем проявляється й підтверджується спільними закономірностями функціонування.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота на порівняння. Подібність й відмінність екосистем

Просторова структура

Видовий склад і структура

Екологічна структура (довжина ланцюгів живлення й розгалуженість трофічної мережі)

Біологічна продуктивність (середньорічна первинна продукція та біомаса)

Мінералізація решток

Саморегуляція

Стійкість у часі

Біологія + Географія. Екосистеми й біосфера

Вічнозелені дощові тропічні ліси

визначають енергетичний потенціал планети, оскільки мають найбільшу біомасу продуцентів і первинну продукцію. Загальною особливістю тропічного дощового лісу є надзвичайно велике розмаїття видів рослин і тварин. Де розташовані ці ліси? Які особливості функціонування та значення для біосфери?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Хімія. ДДТ й екосистеми

Ксенобіотики й радіонукліди у трофічних ланцюгах є незмінними, і їхня концентрація у розрахунку на одиницю біомаси стає більшою. Цей ефект називається законом концентрування речовин у трофічних ланцюгах. Так, у ланцюгу живлення з 4-х ланок концентрація ДДТ (дусту) у тканинах рибоїдних птахів зростала в 1875 разів. Через те у списку стійких органічних забруднювачів

(англ. persistent organic pollutants) ця речовина – на першому місці. Що таке ДДТ? Обґрунтуйте значення закону концентрування речовин у трофічних ланцю­ гах для практики господарювання людини в природних екосистемах.

РЕЗУЛЬТАТ

§ 40. Екосистеми, їх властивості та характеристики

ЕКОЛОГІЧНІ СУКЦЕСІЇ (від лат. succesio – наступність) – спрямовані послідовні зміни угруповань організмів на певній ділянці середовища, що призводять до відновлення або перетворення екосистем відповідно до природних умов. Послідовність екосистем, що змінюють одна одну в процесі сукцесії, називається сукцесійною серією, а окрема екосистема – стадією сукцесії (іл. 68).

Найзагальнішими етапами екологічних сукцесій є такі.

Іл. 68. Приклади сукцесійних змін

Отже, постійні зміни середовища життя ведуть до сукцесій, кінцевою метою яких є досягнення стабільного стану.

Які причини й типи сукцесій?

Причинами сукцесій можуть бути: зміни клімату, природні катаклізми (вулкани, землетруси, повені), діяльність людини. Важливе значення в сучасній екології надається біотичним чинниками: види організмів сукцесійного угруповання здатні змінювати умови існування інших видів. У більшості випадків рушійними чинниками змін і розвитку нестійких екосистем є незбалансованість кругообігу речовин і зменшення видового біорізноманіття.

Сукцесії бувають повільними (тривають упродовж тисячоліть і десятків тисяч років), середніми (упродовж століть) і швидкими (упродовж десятиліть). Залежно від причини виникнення сукцесії поділяють на два типи: 1) ендогенні (автогенні) – відбуваються з внутрішніх причин (наприклад, утворення нових видів); 2) екзогенні (алогенні) – виникають під дією зовнішніх чинників (наприклад, засолення, підтоплення, вселення чужорідних видів). Сукцесії можуть бути: природними (наприклад, виникають внаслідок підняття або опускання суходолу) й антропогенними (наприклад, внаслідок вирубування лісу, розорювання степу).

За особливостями формування сукцесії поділяють на первинні та вторинні. Первинні сукцесії – це поява і розвиток угруповань у місцях, де їх раніше не було (наприклад, розвиток екосистем на скельних породах, зсувах, відмілинах річок, вулканічних островах). Вторинні сукцесії – це відновлення природних угруповань після певних порушень (наприклад, відновлення лісів після пожеж або вирубування, степів – після розорювання).

Отже, екологічні сукцесії є механізмами появи, розвитку, самоорганізації та самовідновлення екосистем.

Які закономірності сукцесій?

Знаючи динаміку змін основних параметрів екосистем, можна визначати їх стійкість до дії зовнішніх чинників, виявляти негативні тенденції у розвитку, визначати можливе антропогенне навантаження на екосистеми тощо.

Які ж основні закономірності сукцесій?

У 1884 р. французький хімік і фізик А. ле Шательє (1850 – 1936) сформулював закономірність (принцип Ле Шательє), згідно з якою будь-який зовнішній вплив, що виводить систему зі стану рівноваги, викликає в цій системі процеси, що намагаються послабити зовнішній вплив і повернути систему до початкового рівноважного стану.

Можливість переходу нестійкої екосистеми до сукцесійного стану визначається законом одного відсотка: зміна енергетики природної системи в межах 1 %, як правило, не виводить екосистему з рівноважного стану, і навпаки. Зміна потоку енергії у біогеоценозі більш ніж на 1 % як у бік його зменшення, так і в бік збільшення виводить екосистему з клімаксу й переводить її в сукцесійний стан. При цьому через велику кількість чинників, що взаємодіють, здебільшого не можна передбачене, якого характеру набуде сукцесія – прогресуючого або регресуючого.

Згідно з правилом максимуму потоку енергії сукцесія відбувається в напрямі фундаментального зміщення потоку енергії в бік зростання її кількості з

§ 41. Екологічні сукцесії як процеси саморозвитку екосистем

Тема 7. ЕКОЛОГІЯ

158

метою підтримки системи. Сукцесії ведуть до зростання біорізноманіття, але лише до клімаксної стадії.

Отже, у зв’язку з тим, що екосистеми є динамічними, прогнозування їх стану й визначення закономірностей розвитку є важливим завданням екології.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота. Характеристика сукцесій

Класичним прикладом сукцесії є заростання озера й перетворення його на болото, згодом – на луки й ліс. Схарактеризуйте цю сукцесію за планом: 1) етапи розвитку; 2) причини виникнення; 3) тип; 4) значення.

Біологія + Палеоекологія. Ліси та біологічна еволюція

Серед усіх типів наземних екосистем найпоширенішими і найціннішими є ліси. На ілюстрації зображено найдавніший ліс (близько 390 млн років), відтворений на основі викопних решток з околиць Гілбоа (Нью-Йорк, США). Ці перші ліси виникли в девоні палеозойської ери. Їх поява є однією з найважливіших еволюційних подій в історії Землі. Які дерева утворювали перші ліси? В яких напрямах відбувалися ці давні сукцесії?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Казки. «Сезам, відкрийся!» та екологія

Американський еколог В. Е. Шелфорд, автор закону толерантності, вжив цей вираз з арабської казки «Алі-Баба і сорок розбійників» у такому сенсі: «Кон-

цепція рослинних сукцесій є магічною фразою “Сезам,

відкрийся!” для усієї прийдешньої науки, справжньою magna carta майбутньої перспективи». А що таке «сезам» у ботаніці, кулінарії, сільському господарстві? Поясніть значення закономірностей сукцесії для діяльності людини.

РЕЗУЛЬТАТ

Культура людини завжди йшла поруч з культурою поля.

К. А. Тимірязєв

§42. АГРОЕКОСИСТЕМИ, ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРИ

ЙФУНКЦІОНУВАННЯ

Основні поняття й ключові терміни: АГРОЕКОСИСТЕМИ. Агроекологія. Альтернативне землеробство.

Пригадайте! Що таке штучні екосистеми?

тур. Це пшениця, рис, кукурудза, жито, а також ячмінь, овес і просо, що й утворюють переважну більшість агроекосистем. А чим агроекосистеми відрізняються від природних екосистем?

ЗМІСТ

Які особливості структури й функціонування агроекосистем?

АГРОЕКОСИСТЕМИ – це штучні екосистеми, створені людиною для отримання сільськогосподарської продукції. Це поля, штучні пасовища, городи, сади, виноградники, ягідники, квітники, лісопаркові смуги (іл. 69). Відповідно до законів загальної екології акроекосистеми нестабільні. Стабільності, що так необхідна для господарської стійкості агроекосистем, досягають іншим шляхом – вкладенням додаткової антропогенної енергії. І що простіша агроекосистема, то більше вона вимагає такої енергії у вигляді праці, внесення добрив, пестицидів та ін.

систем органічної речовини, залежність існування від діяльності людини, переважання рослин і тварин, які є продуктом селекційної діяльності, низьке видове різноманіття, розімкненість біохімічних циклів та ін.

Агроекосистеми існують не ізольовано від загального природного середовища. Вони зазнають впливу природних екосистем і неорганічного середовища

§ 42. Агроекосистеми, особливості структури й функціонування

159

Тема 7. ЕКОЛОГІЯ

Землі. Створюючи штучні екосистеми, людина має розуміти їхні особливості та організовувати ландшафти таким чином, щоб не порушувалась стабільність природних великих екосистем.

Отже, агроекосистеми мають ті самі структури, умови існування, що й екосистеми, але позбавлені таких властивостей,

як стабільність і стійкість у часі.

Які основні екологічні проблеми сучасного землеробства?

Агроекологія – розділ екології, що вивчає взаємини організмів з чинниками довкілля у процесі сільськогосподарського виробництва. Найважливіше завдання цього розділу – розроблення методів, які забезпечили б високу продуктивність угідь та отримання екологічно чистої продукції з найменшими затратами енергії.

Традиційне сільське господарство ґрунтується на принципах інтенсифікації, головними компонентами якого є: використання добрив, широке застосування пестицидів, зрошення, застосування інтенсивних сортів, індустріальні технології та ін.

Основними екологічними проблемами сучасного землеробства є:

•спустелювання земель – деградація земель у посушливих ділянках земної поверхні, що відбувається під дією природних (зміни клімату, водний дефіцит) або антропічних (надмірне випасання, вирубування лісів, будівництво доріг тощо) чинників;

•ерозія ґрунту – процес руйнування й знищення ґрунтового покриву під дією води (водяна ерозія), вітру (вітрова ерозія), перевипасу, тобто надмірного випасання (пасовищна ерозія), зрошення (іригаційна ерозія), промислової діяльності (техногенна ерозія);

•засолення ґрунту – накопичення в його верхніх шарах солі, що виникає під дією ґрунтових і поверхневих вод, надмірного поливу, надмірного зрошення;

•підтоплення та заболочування – збільшення вмісту води в ґрунті внаслідок зміни гідрологічного режиму території;

•забруднення ґрунтів – надходження й накопичення в ґрунті сполук важких металів, пестицидів, радіонуклідів, що позначаються на родючості ґрунтів й здоров’ї людини;

•виснаження ґрунту – збіднення ґрунтів на вміст гумусу (дегуміфікація), Кальцію (декальцінація) та інших елементів живлення рослин;

•забур’яненість угідь – поширення аборигенних (щириця звичайна, осот польовий рожевий), інвазійних (галінсога дрібноквіткова, амброзія полинолиста), стійких до гербіцидів (лобода біла, березка польова) видів бур’янів, що знижує врожайність і якість продукції, є причинами отруєння тварин і захворювань людей, поширення паразитів рослин.

Отже, агроекологія має стати обов’язковим складником сучасного енергозбережувального, малозатратного

й ґрунтозахисного землеробства.

Які шляхи підвищення продуктивності агроекосистем?