Тема 2. Структура и функционирование экосистем (экологические факторы, пищевые цепи, трофические пирамиды)
Цель занятия: закрепить знания студентов об экосистеме, ее структуре и функционировании: экологические факторы пищевые цепи, трофические пирамиды.
Экосистема – совокупность растений, животных микроорганизмов, которые взаимодействуют между собой и с различными факторами внешней окружающей природной среды. Вся эта совокупность может существовать неопределенно долго.
Среди экологических факторов большое значение имеют пищевые или трофические факторы. Для поддержания роста и развития любой организм нуждается в пище, которую получает из окружающей природной среды. В зависимости от типа питания все организмы подразделяются на две группы: аутотрофы и гетеротрофы.
Аутотрофы способны синтезировать органические вещества. При этом используются минеральные вещества окружающей среды и абиотические источники энергии. Организмы, получающие энергию путем окисления химических соединений, называются хемоаутотрфами. Если энергия поступает с солнечным светом – это фотоаутотрофы. К ним относятся все зеленые растения.
Гетеротрофные организмы не способны использовать энергию абиотических источников для синтеза органических соединений. Энергию и органические вещества они получают за счет живой или мертвой биомассы аутотрофов или других гетеротрофов. Все животные относятся к гетеротрофам.
Таким образом, в любой экосистеме существуют два компонента – организмы и факторы окружающей среды.
Вся совокупность живых организмов экосистемы ( растения, животные, микроорганизмы) называется биотой. Под биотической структурой экосистемы подразумеваются пути взаимодействия различных организмов в экосистеме. Практически все экосистемы имеют одинаковую биотическую структуру, они состоят из трех основных категорий организмов: продуцентов, консументов, редуцентов.
Продуценты – зеленые растения способные осуществлять фотосинтез. Происходит превращение Н2О и СО2 в сахара, побочным продуктом является О2. Все это образуется с помощью солнечной энергии. В итоге энергия солнечного света превращается в энергию органических соединений.
Консументы - это животные, которые питаются живыми органическими веществами. К ним относятся простейшие, черви, насекомые, птицы, рыбы, млекопитающие. В соответствии с различиями в источниках получения пищи консументы подразделяются на несколько групп:
первичные консументы – питаются непосредственно продуцентами.
вторичные консументы – питаются первичными консументами.
Заяц – первичный консумент, Лиса, поедающая зайца – вторичный консумент. Могут существовать консументы 3-го, 4-го и далее уровней.
Первичные консументы, которые потребляют в пищу только растения, называются фитофагами.
Консументы второго и более высоких порядков называются плотоядными.
Животное, которое употребляет в пищу и растения и животных – называется всеядным.
Если одно животное охотится на другое, то первое – это хищник, а второе – жертва.
Мертвые растительные и животные останки называют детритом, о организмы, которые питаются этими останками – детритофагами или редуцентами. Они переводят мертвое органическое вещество в минеральное вещество.
Таким образом, животные и растения после своей гибели становятся ресурсом для других организмов.
Все эти пищевые отношения распадаются на трофические цепи или цепи питания. Трофическая цепь – это взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация веществ и энергии, т.е., это группа особей (растения, животные, микроорганизмы), которые связаны между собой отношениями пища – потребитель.
Трофический уровень – это совокупность организмов, объединенных одним типом питания. аутотрофные организмы (продуценты) занимают первый трофический уровень. растительноядные животные (консументы 1-го порядка), занимают второй трофический уровень. хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы 2-го порядка) располагаются на третьем трофическом уровне. четвертый трофический уровень занимают вторичные хищники (консументы 3-го порядка).
Соотношение различных трофических уровней в экосистеме можно представить в виде трофической пирамиды.
Основанием любой трофической пирамиды служит первый уровень – уровень продуцентов.
Экологическая пирамида бывает трех типов: 1) пирамида чисел, она характеризует численность организмов на каждом уровне.
Рис 2. Трофическая пирамида
Пример: 1 орел – три змеи – 5 лягушек- 6 кузнечиков- 1000 особей люцерны.
2) пирамида биомассы. Она отражает общее количество биомассы на каждом уровне.
Пример (условные числа): 1 уровень – продуценты - 100,0; 2 уровень – фитофаги - 1-3; 3 уровень - хищники – 0,1-0,6; 4 уровень – хищники вторичные - 0,01-0,1 .
3) пирамида энергии – она характеризует поток энергии, проходящий через экосистему.
Рис. 3 Трофические цепи, трофические уровни.
Рис. 4. Экологическая пирамида (биомасс) и трофические уровни в экосистеме. Пирамида на рисунке перевернута.
Организмы – одна из составляющих частей экосистемы. Вторя часть ее – химические; физические факторы ОПС, это абиотические факторы. Эти факторы действуют на организмы одновременно, присутствие этих факторов существенно влияет на существование организмов. В лабораторных условиях можно изучить влияние одного фактора на развитие организма.
Сразу можно определить параметр экологического фактора, при котором организмы вообще не развиваются. По мере нарастания интенсивности фактора развитие организма улучшается и достигает максимума. Дальнейшая интенсификация действия экологическогофактора ухудшает развитие организмов и проявляется второй параметр экофактора, который вновь угнетает рост организма.
Рис. 5. Действие экологического фактора на численность популяции.
На кривой роста в точке, где отмечается максимальный рост организмов, располагается точка оптимума. Диапазон действия экологического фактора, когда отмечается интенсивный рост организмов, называется зоной оптимума. Диапазон действия экологического фактора на организм от минимума до максимума и вновь до минимума называют диапазоном устойчивости.
Точки, которые ограничивают этот диапазон называют предел устойчивости. между зоной оптимума и пределами устойчивости располагаются стрессовые зоны. В этих зонах могут расти только некоторые разновидности этого организма.
Если на организмы действуют несколько экологических факторов и если организмы в отношении одного фактора располагаются в зоне оптимума, а в отношении другого в стрессовой зоне, то общее условие существования организма будет стрессовым.
Таким образом, проявляется лимитирующее действие экологического фактора. Закон лимитирующих факторов гласит: "единственный фактор за пределами своего оптимума приводит организмы к стрессовому состоянию". Закон лимитирующих факторов был сформулирован Либихом в 1840 г.
Дополнением к закону лимитирующих факторов Либиха было правило толерантности Шеффорда: " в отношении каждого фактора существует диапазон выносливости организма (диапазон толерантности). Этот диапазон ограничен пределами, в которых может существовать организм. Этот диапазон и является экологическим стандартом организма или вида.
Организмы с широким диапазоном толерантности называются эврибионтами.
Рис. 6. Закон толерантности. Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных (I и III ) и эвритермных (П) организмов.
Организмы с узким диапазоном толерантности называются стенобионтами, они могут существовать только в условиях устойчивого постоянства факторов окружающей среды.
Два экологического фактора являются лимитирующими в отношении основных наземных экосистем – температура и количество осадков. Лимитирующий фактор может быть биотической природы.
При сумме осадков более 750мм возникают условия для развития злаков и деревьев. Но деревья затеняют злаки, световой фактор становится лимитирующим и злаки погибают.
Лимитирующими факторами для растений могут быть фитофаги, для животных лимитирующими факторами могут быть: дефицит пищи, наличие хищников.
Таким образом, действие любых экологических факторов в избытке или дефиците может быть лимитирующим.
Контрольные вопросы
1.Экологические факторы, их классификация.
2.Аутотрофы и гетеротрофы.
3.Продуценты, консументы, редуценты.
4.Пищевые цепи.
5.Трофические уровни.
6.Трофические пирамиды.
7.Динамика действия экофакторов (лимитирующие факторы).
Литература
1. Петров К.М. Общая экология./К.М.Петров.- СПб.: Химия, 1998. -С.114-125.
2. Реймерс Н.Ф. Экология ( теории, законы, правила, принципы и гипотезы) /Н.Ф.Реймерс. – М.: «Россия Молодая», 1994.- С. 8-22.
4. Одум Ю. Экология: в 2 т. / Ю.Одум.-М.: Мир, 1986.- Т. 1..- 328 с.; Т.2.- 376 с.