--6-05~2

времени слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект структуры характеризует порядок расположения элементов в системе, а временной отражает смену состояний системы во времени (показывает развитие). Структура является выражением иерархичности и организованности системы.

Характер связей и взаимодействия между элементами и с внешней средой представляет собой различные формы вещественного, энергетического и информационного обмена. При наличии связей системы с внешней средой границы являются открытыми, в противном случае – закрытыми.

Свойства экосистем. Целостность. Потоки вещества и энергии обеспечивают целостность экосистемы – взаимосвязь ее организмов друг с другом и с природной средой.

Самовоспроизводимость. Основными условиями самовоспроизводства экосистемы являются:

–наличие в среде пищи и энергии (для автотрофов – солнечной, для хемотрофов – химической);

–способность организмов к размножению;

–способность организмов воспроизводить химический состав

ифизические свойства природной среды (структуру почвы, прозрачность воды).

Устойчивость экосистем – свойство экосистемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Устойчивость экосистемы подчиняется принципу Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается какое-либо внешнее воздействие, то в системе протекают те процессы, которые ослабляют данное воздействие и возвращают систему в исходное равновесное состояние. Принципу Ле-Шателье подчиняется экосистема Мирового океана. Природные экосистемы способны к длительному существованию. Даже при значительных колебаниях внешних факторов внутренние параметры сохраняют стабильность. Самые устойчивые – богатые жизнью тропические леса (свыше 8000 видов растений), достаточно устойчивы леса умеренной полосы (2000 видов), менее устойчивы тундровые биоценозы (500 видов), мало устойчивы экосистемы океанических островов.

Саморегуляция экосистем– способность поддерживать определенную численность популяции.

21

Эмерджентные свойства – новые, уникальные свойства экосистемы, возникающие в результате синергичного взаимодействия ее компонентов.

Структура экосистем. В каждой экосистеме два основных компонента: организмы и факторы окружающей их неживой среды. Совокупность организмов (растений, животных, микробов) называют биотоп экосистемы. Пути взаимодействия разных категорий организмов – это ее биотическая структура.

С биологической точки зрения, в составе экосистемы выделяют следующие компоненты:

1)неорганические вещества (С, N, СО2, Н2О и др.), включающиеся в круговороты;

2)органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотические части;

3)воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы;

4)автотрофных организмов (зеленые растения, сине–зеленые водоросли, фото- и хемосинтезирующие бактерии), производящих пищу из простых неорганических веществ.

Пищевые цепи и трофические уровни

Каждый организм в биосфере служит прямо и косвенно источником питания для других организмов и сам существует за счет других. Перенос энергии пищи путем поедания одних организмов дру-

гими называется пищевой цепью или трофической (от греч. trophe –

питание).

Трофической (от греч. trophe – питание) или пищевой цепью

называется последовательная передача вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим.

Пищевые цепи могут быть различной длины и состоят из нескольких звеньев, количество которых от двух до шести.

Первое звено пищевой цепи образуют продуценты (от лат. producens – производящий) это организмы, которые создают первичное органическое вещество из неорганического, т.е. организмы, создающие первичную биологическую продукцию. К ним относятся: растения, а также фото– и хемосинтезирующие бактерии.

22

Организмы, способные строить собственное вещество за счет неорганических соединений, используя энергию Солнца, называются автотрофами (от греч. «autos» – сам, trophe – пища, т.е. самопитающийся), а организмы, использующие энергию химических реакций. называются хемотрофами. Автотрофы и хемотрофы являются продуцентами.

Второе звено пищевой цепи представлено консументами (от лат. consume – потреблять), или потребителями – это организмы, питающиеся органическим веществом или первичной биологической продукцией. К ним относятся все животные, грибы, часть дробянок (простейших микроорганизмов). Их также называют гетеротрофами (от греч. " heteros " – другой, trophe – питание), т.е. питаемый другими – это организмы, для которых продуценты представляют собой единственный источник питания.

Различают консументы первого порядка, второго порядка в третьего порядка.

Консументы первого порядка или первичные консументы – это животные, питающиеся растениями. К ним относятся растительноядные животные фитофаги (коров, овцы, олени).

Консументы второго порядка или вторичные консументы – организмы, питающиеся животной пищей. К ним относятся плотояд-

ные животные – зоофаги или хищники первого порядка (волк, лев,

тигр). Вторичный консумент может служить источником пищи для консумента третьего порядка. Консументы третьего порядка – это более крупные плотоядные животные или хищники второго порядка. Замыкают пищевую цепь редуценты (от лат. reducens – восстановители) или деструкторы (разрушители) – микроорганизмы, превращающие продукты жизнедеятельности организмов и погибшие организмы в неорганические соединения, т.е. разлагающие органические остатки до минеральных веществ. К ним относятся: бактерии, грибы. Эти организмы называются сапрофагами (от греч. сапрос – гнилой, фагос – пожиратель).

На суше цепь питания состоит обычно из трех – четырех звеньев: дерево гусеницы → синицы → ястреб: трава – корова –> человек. Человек является консументом I порядка на третьем трофическом уровне. В водной среде пищевые цепи всегда длиннее, чем в

23

наземных условиях. Фитопланктон зоопланктон– мелкие рыбы – хищные рыбы → человек.

Цепь питания не всегда может быть полной, в ней могут отсутствовать продуценты. Такая цепь формируется на базе разложения трупов животных или растительных остатков. В цепи часто отсутствуют или представлены небольшим количеством консументы. Например, в лесах отмирающие растения или их части (ветви, листья) сразу включаются в звено редуцентов, которое завершает круговорот. Экосистемы с длинными цепями характеризуются повышенной надежностью и более интенсивным круговоротом.

Очевидно, что звенья (и входящие в них организмы), образующие пищевую, или трофическую, цепь, неравнозначны, в первую очередь, с точки зрения занимаемого места. Поэтому в экологии принято говорить не просто о звеньях цепи, а об определенных трофических уровнях. Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет трофическую цепь.

Трофический уровень – это определенное положение организма в цепи питания (т.е. его место) или каждое ее звено.

На первом трофическом уровне находятся зеленые растения – продуценты, второй трофический уровень составляют растительноядные животные или консументы первого порядка, третий трофический уровень представлен плотоядными животными или консументами второго порядка, третьего, четвертого порядка или хищниками первого порядка. Четвертый трофический уровень составляют бо-

лее крупные плотоядные животные – хищники второго порядка. Последний, пятый трофический уровень представляют потребители мертвого органического вещества и продуктов деструкторы (реду-

центы). Эта трофическая классификация относится к функциям, а

не к видам как таковым, так как каждый живой организм или их совокупность выполняет определенную биологическую функцию, которая либо начинает какой – то процесс, либо является его промежуточным звеном, либо завершает его.

24

В зависимости от того, что является первым трофическим уровнем, различают два основных типа пищевых цепей – пастбищ-

ные (цепи ведания, или цепи потребления) и детритные (пени разложения).

Пищевые цепи, которые всегда начинаются с фотосинтезирующих растений (с продуцентов) называются пастбищными: клевер → кролик → волк.

Детритные (от лат. – deterere – изнашиваться) – это цепи питания, в которых первым трофическим уровнем является органическое вещество Отмерших организмов. Вторым трофическим микроорганизмы, третьим трофическим уровнем являются мелкие животные (дождевые черви, мокрицы, клещи), четвертым трофическим уровнем – их потребители – хищники. Например, листовая подстилка → дождевой червь – дрозд → ястреб. Детритом называется органический или полуразрушившиеся остатки организмов, находящиеся в водной среде, а также в верхних слоях почвы. Как в пастбищных цепях, так и детритных, каждый трофический уровень является началом новых цепей.

Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных трофических уровнях. Так, например, человек, в рацион которого входит как растительная пища, так и мясо травоядных и плотоядных животных, выступает в разных пищевых цепях в качестве консумента первого, второго и третьего порядка. Поскольку каждый организм имеет несколько источников питания и сам используется как продукт питания другими организмами из одной и той же пищевой цепи или даже из разных, цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые или трофические сети. Сети питания тем разветвление, чем богаче экосистема. В условиях нашей республики самыми производительными являются дубравы.

25

хание, теплоотдачу, выполнение движений. Максимальное количество энергии расходуется на дыхание, это количество в сумме с неусвоенной составляет около 90 % от потребленной энергии. Поэтому переход энергии с одного трофического уровня на другой в среднем принимается близким к 10 % от энергии, потребленной с пищей, т.е. происходит рассеивание энергии на каждом уровне. Согласно второму закону термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются.

Положение, согласно которому не более 10 % энергии посту-

пает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему, называется правилом десяти процентов или законом Линдемана.

Экологическая пирамида

Продуктивность экологических систем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в форме пирамид. Экологические пирамиды – это соотношение между продуцентами, консументами, редуцентами в экосистеме, выраженное в их массе и изображенное в виде графических моделей.

Основание пирамиды образуют продуценты (растения). Над ними располагаются консументы первого порядка (травоядные). Следующий уровень представляют консументы второго порядка (хищники). И так далее до вершины пирамиды, которую занимают наиболее крупные хищники. Высота пирамиды обычно соответствует длине пищевой цепи.

Первая пирамида была построена английским экологом Ч. Элтоном (1927). Пирамиды бывают трёх основных типов: чисел, био-

массы и энергии.

Пирамида численности, или чисел – отражает количественное распределение отдельных организмов на трофических уровнях. Особенностью такой пирамиды является уменьшение численности организмов при движении от продуцентов к консументам. Эта закономерность объясняется тем, что в любой экосистеме мелкие животные численно превосходят крупных и размножаются быстрее.

Пирамида биомасспоказывает количество органического вещества, синтезированного на каждом трофическом уровне.

В любой трофической цепи не вся пища используется на рост организма, т. е. на формирование биомассы (часть её расходуется на

27

удовлетворение энергетических затрат организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т. д.). Следова-

тельно, в каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы.

Пирамида энергии – отражает картину скоростей прохождения величины потока энергии, проходящего через последовательные трофические уровни. Из трёх типов экологических пирамид пирамида энергии даёт наиболее полное представление о функциональной организованности сообществ, так как отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.

Первый и второй законы термодинамики

Законы термодинамики являются важными объединяющими принципами, которые регулируют химические процессы (обмен веществ) во всех биологических организмах.

Первый закон термодинамики, также известный как закон со-

хранения энергии, утверждает, что энергия не может появиться ниоткуда и исчезнуть. Она способна переходить от одной формы к другой, но энергия в замкнутой системе остается постоянной.

Второй закон термодинамики гласит, что при передаче энер-

гии в конце процесса переноса будет меньше энергии, чем в начале. Из-за энтропии, которая является мерой беспорядка в замкнутой системе, вся доступная энергия не будет полезна для организма. Энтропия увеличивается по мере передачи энергии. В дополнение к законам термодинамики теория клеток, теория генов, теория эволюция и гомеостаз составляют главные принципы, лежащие в основе изучения жизнь.

28

Тема1.2. Основные законы экологии и рационального природопользования

Живой организм всегда находится в окружении элементов живой и неживой природы, постоянно взаимодействует с ними.

Среда – это комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Существует и более конкретное пространственное понимание среды как непосредственного окружения организма – это среда обитания

(среда жизни или экологическая среда), т.е. часть природы, непо-

средственно окружающая данные живые организмы, все то, среди чего они живут.

На нашей планете различают четыре типа среды обитания для живых организмов: водную, наземную или воздушно–наземную, почвенную и живой организм (тело другого организма, используемое паразитами). От понятия «среда обитания» следует отличать понятие «условия существования» совокупность жизненно необходимых элементов среды, без которых живые организмы не могут существовать (свет, вода, теплота, воздух). Но в каждой среде есть и элементы среды, которые оказывают существенное влияние, но не являются для живых организмов жизненно необходимыми (ветер, дымовые газы, искусственное и естественное ионизирующее излучение).

Экологическими элементами называются все компоненты природной среды (вода, воздух, почвы, горные породы и т.д.).

Элементы окружающей среды, способные оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его жизненного цикла, либо любое условие среды, которое вызывает у организма приспособительные реакции (или адаптации), являются по отношению к организму экологическими факторами (свет, теплота, вода, воздух, окружающие организмы).

29

В зависимости от изменения параметров различают факторы: стабильные, неизменяющиеся в течение длительного времени (рельеф, сила тяготения, соленость морской воды); изменяющиеся, параметры которых варьируются. При этом они могут быть регулярно– периодическими (связаны с изменением времени года, времени суток, отливами и приливами); нерегулярными (извержения вулканов,

землетрясения); направленными в течение длительного времени (ве-

ковые колебания климата). В зависимости от характера воздействия на организмы факторы делятся на: прямые, непосредственно влияющие на организм, и косвенные, воздействующие через влияние других факторов.

По происхождению экологические факторы классифицируются на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы (от греч. «а» – отрицание, «биос» – жизнь) – это компоненты и явления неживой, неорганической природы, воздействующие на живые организмы. К абиотическим факторам относятся:

–космические (солнечная активность и геомагнитные бури);

–химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды);

–климатические (свет, температура, влажность, давление атмосферы);

–эдафические («эдафос» – почва) или почвенно–грунтовые (механический и химический состав почв, их физические свойства: влагоемкость, воздухопроницаемость, кислотность почв, снежный покров, растения и организмы, обитающие в почве);

–гидрографические (вода со всеми ее физическими и химическими свойствами (плотность, соленость, ледовый покров, приливы, отливы, течение, волновые движения и др.));

–топографические или орографические факторы – совокуп-

30