- •Федеральное агенство по образованию
- •1. Организм и среда 6
- •1. Организм и среда
- •1.1. Строение и история земли
- •1.2. Возникновение жизни на земле
- •1.3. Фундаментальные свойства живых систем
- •1.4. Уровни организации живой материи
- •1.5. Условия и ресурсы среды
- •1.6. Популяции и сообщества
- •2. Экологические системы, пищевые цепи и энергия в экосистемах
- •2.1. Экологические системы
- •2.1.1. Понятие экологической системы
- •2.1.2.Живое, косное и биокосное вещество (по в.И.Вернадскому)
- •2.1.3. Законы в.И.Вернадского
- •2.2. Пищевые цепи
- •2.2.1. Понятие простых и сложных пищевых цепей
- •2.2.2. Экологические пирамиды
- •2.3. Циркуляция веществ
- •2.4. Энергетические ресурсы и энергия в экосистемах
- •2.4.1. Понятие энергетических ресурсов
- •2.4.2. Энергия в экологических системах
- •3. Экология человека
- •3.1. Основные понятия
- •3.2. Энергия и вещества
- •3.2.1. Энергия
- •3.2.2. Пищевые вещества
- •3.2.3. Минеральные соли и вода
- •3.3. Климатическая адаптация
- •3.3.1. Общие сведения
- •3.3.2. Температурная среда
- •3.3.2. Реакция организма на перегрев
- •3.3.4. Реакция организма на охлаждение
- •3.3.5. Границы зоны комфорта
- •3.4. Болезни
- •4. Глобальные проблемы окружающей среды
- •4.1. Основные сведения
- •4.2. Окружающая среда и стабильность популяций
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Процессы, регулирующие численность популяций
- •4.2.3. Экологические показатели
- •4.3. Глобальные изменения климата
- •4.3.1. Основные сведения
- •4.3.2. Природные экосистемы суши
- •4.3.3. Лесное и сельское хозяйство
- •4.3.4. Гидрология и водные ресурсы
- •4.3.5. Мировой океан и прибрежные зоны
- •4.3.6. Сезонный снежный покров, лед, вечная мерзлота
- •4.3.7. Энергетика, транспорт и промышленность
- •4.4. Проблемы мегаполисов
- •4.4.1. Общие сведения
- •4.4.2. Классификация городов по численности населения
- •4.4.3. Зонирование территории
- •4.4.4. Влияние крупных городов на климат
- •4.4.5. Радиационная экология
- •4.5. Разрушение озонового слоя
- •4.6. Снижение видового разнообразия
- •5. Экологический мониторинг
- •6. Основы охраны биосферы
- •6.1. Развитие биосферы
- •6.2. Биогеохимические циклы
- •6.2.1. Кругооборот воды
- •6.2.2. Кругооборот углерода
- •6.2.3. Кругооборот азота
- •6.2.4. Кругооборот серы
- •6.2.5. Кругооборот фосфора
- •6.2.6. Ландшафтный и экосистемный подход к изучению изменений биосферы
- •6.3. Основные положения необходимости устойчивого развития
- •6.4. Особенности эволюции биосферы в условиях антропогенного развития
- •6.5. Пути обеспечения экологической безопасности в биосфере
- •7. Основы экологического права
- •7.1. Правовое регулирование
- •7.2. Международные организации в области экологии
- •7.3. Экологический паспорт промышленного предприятия
- •Литература
- •Контрольные вопросы
- •Проверочные тесты
1.6. Популяции и сообщества
Живые организмы участвуют в кругообороте веществ и энергии в биосфере Земли. Они живут группами, благодаря чему выживают и развиваются. Их важнейшими характеристиками являются численность, плотность, рождаемость, смертность, возрастной состав, соотношение полов и др.
В экологии одно их важнейших мест занимают такие направления, как экология популяций и сообществ, которые рассматривают характеристики популяций и сообществ, структуру, свойства и т.д.
ПОПУЛЯЦИИ состоят из одновидовых организмов, совместно населяющих определенные участки и связанных между собой определенными взаимоотношениями, которые обеспечивают им устойчивое существование в данной природной среде.
ВИД - основная структурная и классификационная (ТАКСОНОМИЧЕСКАЯ) единица в системе живых организмов; совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающих рядом общих морфофизиологических признаков, населяющих определенный ареал, обособленных от других не скрещиваемостью в природных условиях.
Популяция обладает не только биологическими свойствами составляющих ее организмов, но и свойствами, которые присущи группе особей в целом. Различают СТАТИЧЕСКИЕ и ДИНАМИЧЕСКИЕ характеристики популяций.
К статическим характеристикам относятся:
ЧИСЛЕННОСТЬ;
ПЛОТНОСТЬ;
ВОЗРАСТНОЙ и ПОЛОВОЙ СОСТАВ.
К динамическим характеристикам относятся:
РОЖДАЕМОСТЬ;
СМЕРТНОСТЬ;
СКОРОСТЬ ПОПУЛЯЦИОННОГО РОСТА.
Численность популяции не может быть любой; она не может быть слишком малой (до 2000 особей), но и не может быть бесконечно большой, так как тогда она не сможет прокормиться и разместиться на данной площади (рис. 1.3).
Рисунок 1.3. - Экспоненциальная и логистическая модели популяционного роста
Плотностью популяции называется число особей, приходящихся на единицу площади. Часто плотность измеряют не числом особей, а их массой (биомассой). Плотность равная численности или биомассе популяции на единицу обитаемого пространства называют ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ.
Возрастной состав также является статической характеристикой популяции.
Растущая популяция характеризуется преобладающим числом молодых особей, а в сокращающейся популяции преобладают особи старческого (пострепродуктивного) возраста.
Другая статическая характеристика популяции - половой состав. У высших животных число особей женского и мужского пола различно. Так, например, в человеческой популяции это соотношение составляет 515 : 485.
Рождаемость является динамической характеристикой популяции. Различают максимальную и реальную рождаемость.
Реально реализованная рождаемость (ПЛОДОВИТОСТЬ) называется ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ РОЖДАЕМОСТЬЮ. Экологическая рождаемость зависит от численности популяции, ее полового и возрастного состава, а также от физических условий среды.
Рождаемость равна общему числу вновь появившихся особей деленному на промежуток времени, в течение которого они появились.
Удельная рождаемость равна рождаемости, деленной на число всех особей в популяции.
Смертность определяется как число особей, погибших за данный отрезок времени.
Удельная смертность равна смертности, деленной на число всех особей в популяции.
Смертность - показатель, противоположный рождаемости. У большинства живых организмов интенсивность смертности меняется на протяжении всей жизни. Чаще она больше на ранних стадиях развития, затем она снижается, а к старости снова возрастает.
Чем больше смертность, тем меньше средняя продолжительность жизни и наоборот. Иначе говоря, чем меньше средняя продолжительность жизни, тем меньшее количество живых организмов доживет до старости. Зависимости возраста и численности популяции представляются в виде КРИВЫХ ВЫЖИВАНИЯ (рис. 1.4).
Рисунок 1.4. - Основные типы кривых выживания
В Биосфере Земли живые организмы живут в окружении других представителей живой природы.
В сообществах организмы одной популяции могут питаться особями другой или использовать их как среду обитания (НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ взаимодействие). Разные организмы могут использовать один и тот же ресурс; один вид может быть передающим звеном в цепи развития паразита, живущего за счет другого (ОПОСРЕДОВАННЫЕ или КОСВЕННЫЕ взаимодействия).
Различают следующие типы экологических взаимодействий:
1. если две популяции не влияют друг на друга, то это носит название НЕЙТРАЛИЗМ (в природе нейтрализм встречается крайне редко);
2. если для одного из совместно обитающих видов влияние другого отрицательно (он испытывает угнетение), в то время как угнетающий не получает ни вреда, ни пользы, то это называется АМЕНСАЛИЗМ. Например - когда светолюбивые растения растут в густом еловом лесу;
3. к взаимополезным взаимодействиям относятся:
ПРОТОКООПЕРАЦИЯ;
СИМБИОЗ;
МУТУАЛИЗМ(птицы, кормящиеся на коже носорога);
4. к полезно-нейтральным взаимодействиям относятся:
КОМЕНСАЛИЗМ(нахлебничество, сотрапезничество, квартиранство);
5. к полезно-вредным взаимодействиям относятся:
ПАРАЗИТИЗМ;
ХИЩНИЧЕСТВО;
6. к взаимовредным взаимодействиям относятся:
КОНКУРЕНЦИЯ(различают межвидовую и внутривидовую конкуренцию).
СООБЩЕСТВОМ называется совокупность образующих его видов и взаимоотношения между ними.
С этим понятием тесно связано понятие биогеоценоза.
БИОГЕОЦЕНОЗОМ называют исторически сложившуюся совокупность живых организмов (биоценоз) и абиотической среды вместе с занимаемым ими участком земной поверхности (БИОТОПОМ).
При взаимодействиях живых организмов существуют механизмы, которые регулируют численность, создавая устойчивость в данной биологической системе. Колебания численности во времени как правило носят циклический характер. Обильный корм способствует быстрому размножению травоядных животных, которые служат пищей для хищников, количество которых увеличивается, но с некоторым запаздыванием (рис. 1.5).
Рисунок 1.5. - Динамика изменения численности популяций зайцев и лисиц во времени
Если выразить данные зависимости в системе координат «жертва-хищник» то получим следующую картину (рис. 1.6).
Рисунок 1.6. - Эволюция двух популяций "ХИЩНИК-ЖЕРТВА" во времени
На основании анализа следует, что чем больше амплитуда изменения численности данных групп живых организмов, тем больших размеров достигает элипсоподобная геометрическая фигура, а это соответствует меньшей устойчивости данной биологической системы.
Данные взаимоотношения живых организмов могут быть описаны с помощью математических моделей, включающих уравнения, содержащие такие взаимосвязанные параметров, как количество травы, зайцев (жертва) и лис (хищник), а также скорость рождения зайцев, скорость выедания зайцев лисами и скорость гибели лис. Значимым аспектом является начальное количество травы, зайцев и лис.
Например, для данной системы в общем виде модель может быть представлена следующим образом:
X(t) = f 1(G, Xi, Yj, n, m),
Y(t) = f2 (Xi, Yj , m, k),
Где X(t) - изменение количества зайцев во времени, Y(t) - изменение количества лис во времени, G - количество травы, X - количество зайцев, Y – количество лис, n – скорость рождения зайцев, m – скорость выедания зайцев лисами, k – скорость гибели лис.
Реализация данной модели показывает, что наиболее устойчивой является система, в которой начальной количество вышеназванных компонентов отличается примерно в десять раз (например, количество зайцев в десять раз больше начального количества лис). На устойчивость системы влияет также соотношение скоростей рождения и гибели. Эти скорости не могут изменяться в широких пределах и должны соответствовать начальному количеству живых организмов. Изменения в ту или иную сторону от оптимума могут привести к снижению устойчивости и к деградации данной системы.
Структурой сообщества называют соотношение различных групп организмов, различающиеся по систематическому положению, по роли, которую они играют в процессе переноса энергии и вещества, по месту в пространстве, в пищевой сети, либо по иному признаку, существенному для понимания закономерностей группы естественных экосистем.
Внутри биоценоза в результате борьбы за существование происходит распределение биологических видов по «ЭКОЛОГИЧЕСКИМ НИШАМ», которые определяются как сложные пространственные фигуры, учитывающие большое количество экологических факторов. Каждая популяция видов в сообществе занимает определенную экологическую нишу, границы которой достаточно четко определены (рис. 1.7).
Рисунок 1.7. - Схема экологической ниши
В понятие экологической ниши вкладывается не только расположение вида в пространстве, но и его роль в экологической системе в целом.
Узкая специализация видов позволяет им плотно располагаться в пределах ограниченного пространства.
Когда виды живых организмов не конкурируют между собой, они занимают неперекрывающиеся экологические ниши, хотя могут занимать и один и тот же участок пространства. Конкурирующие живые организмы занимают перекрывающиеся ниши, что может привести в конечном итоге вытеснению одного из видов или к исчезновению обоих видов и занятию освободившейся ниши другими видами.