Основи єкологии

Основи Екології

• Екологія - це наука про навколишнє  природне середовище,що вивчає взаємозв’язок між організмами,про колообіг речовин у природі і потоках енергії,які роблять можливим саме життя на Землі. Наука,що вивчає умови існування живих організмів і взаємозв’язок  між організмами і навколишнім середовищем. Слово «екологія» походить від грецьких « йокос » - будинок і «логос» - наука.

У розвиток екології як науки значний  внесок внесли такі вчені А.Тэнсли,Н.И.Вавилов,В.Н.Сукачєв, А.А.Лаптєв,А.М.Алпатьєв і ряд інших.

Виникнення терміну «екологія» варто віднести до середини минулого сторіччя.Як відзначеє П.Оксер,він уперше зустрічається в приватному листі Г.Д.Торо,датованому 1858 роком,у наступному контексті: «М-р Гоар.займається ботанікой й екологіею,наміряючись оселитися в найбільш придатній для нього частини світу».

Однак заслуга введення цього терміну  у велику  наука,безумовно,належить відомому біологу Ернесту Геккелю після виходу в 1866 році йього праці «Загальна морфологія організмів». Він писав : «Під екологією ми розуміємо суму знань,що відносяться до економіки природи».

Вивчення всієї сукупності взаємин  живих організмів з навколишнім  середовищем,як органічної,так і  неорганічної природи,і,насамперед- його дружніх чи ворожих відносин з тими тваринами і рослинами,з якими він чи прямо побічно вступає в контакт. Згідно Е.Геккелю,ці умови частково органічної,частково неорганічної природи. До неорганічних умов існування,до яких повинні пристосовуватися всі організми,відносяться в першу чергу фізичні хімічні особливості місце існування(їжа,вода,грунт) і клімат(світло,тепло).

Під органічними умовами існування  Е.Геккель мав на увазі загальне відношення організму до інших організмів,з якими він вступає в контакт. В іншій найбільш відомій своїй книзі «Природна історія світоутворення» Е.Геккель писав,що до сфери екології відносяться вкрай складні і заплутані явища,що визначаються відносинами організмів до навколишнього середовища,органічним і неорганічним умовам життя; це так називана економія природи взаємовідносин між всіма організмами,що живуть спільно на тому самому місці. Механічне пояснення цих екологічних явищ дає навчання про пристосування організмів до навколишнього середовища,їхній зміні в боротьбі за існування при паразитизмі і т.д.(Е.Геккель,1909 р.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Що таке продуценти,консументи, редуценти? Яка їх  роль у екосистемі? Дати рівняння реакції фотосинтезу зелених рослин.

Продуценти(автотрофи, виробники) - це організми, що створюють (продукують) органічну речовину з неорганічної (води, вуглекислого газу та мінеральних солей) за рахунок сонячної енергії в процесі фотосинтезу. Утворена глюкоза (виноградний цукор), є вихідною речовиною для інших органічних сполук. Ці сполуки рослини використовують для підтримки обміну речовин та для побудови субстанції власного тіла(фітомаса). При цьому енергія втрачається під час дихання та віддачі тепла. Лише незначна частина світловипромінювання - променевої енергії перетворюється на хімічну енергію. Продуценти здатні самостійно створювати і забезпечувати себе органічною речовиною і виконують роль накопичувачів органічної речовини. До продуцентів належать зелені рослини.

Консументи (гетеротрофи) - це організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами чи іншими консументами. Вони залежать від автотрофів, оскільки для живлення потребують багатих на енергію речовин, щоб із них будувати субстанцію свого тіла(зоомаса). Гетеротрофи використовують енергію хімічних зв'язків органічних речовин, яка була акумульована автотрофами. Частина енергії втрачається через дихання. Консументи розрізняють за порядками:

· консументи 1-го порядку - це рослиноїдні тварини, наприклад рослиноїдні комахи.

· консументи 2-го порядку – поїдають консументів 1-го порядку (хижаки), наприклад ящірки, жаби, комахоїдні птахи тощо.

· консументи 3-го порядку – можуть живитися консументами 2-го порядку. Часто ними є хижі звірі, птахи.

Редуценти - це мікроорганізми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук - води, вуглекислого газу, мінеральних солей, замикаючи таким чином колообіг речовин у біосфері; це – мікроорганізми (бактерії та гриби), які є гетеротрофнимидеструкторами. Їхню діяльність підтримують в екосистемі багато маленьких безхребетних тварин (рівноногі ракоподібні, кліщі, личинки комах):

· тварини-сапрофаги живляться  мертвою органічною субстанцією;

· копрофаги поїдають тваринні екскременти, при цьому бактерії та гриби, які на них оселяються, становлять важливу частину харчування;

· некрофаги - мертвоїди.

Праця деструкторів закінчує колообіг речовин утворенням СО2, NН4, Н2S, СН4, Н2 та іонів, таких як РО43-,С1-, Na+, К+, Са2+ та ін.

Продуценти та деструктори самі створюють короткий колообіг. У довгому колообігу між ними знаходяться консументи.

Ланцюги живлення

Ланцюг живлення (трофічний ланцюг) - взаємовідносини між організмами під час переносу енергії їжі від її джерела (зеленої рослини) через ряд організмів (шляхом поїдання) на більш високі трофічні рівні;

або:

- ряди взаємопов'язаних видів,  в яких кожний попередній є  об'єктом живлення наступного, називають  ланцюгами живлення.

Розрізняють ланцюги живлення різних типів. Тип  ланцюга залежить від початкової ланки. Початковою ланкою в ланцюгах живлення можуть бути рослини, мертві рослини, рештки чи послід тварин. Наприклад:

Ø рослини - попелиці - дрібні комахоїдні птахи - хижі птахи;

Ø рослини – зайці – лисиці - вовки.

В даних випадках ряди починаються  з рослин. До іншого типу рядів живлення належать ряди, що розпочинаються з  посліду тварин з невикористаними  запасами речовин:

Ø коров'ячий послід - личинки мух - комахоїдні птахи - хижаки.

Прикладом ланцюгів живлення, які  починаються з рослинних решток, може бути:

Ø рослинний перегній - дощові черв'яки - кроти.

Кожна з ланок ланцюга живлення може використати лише 5-15 % енергії харчів для побудови речовини свого тіла. Внаслідок неминучої втрати енергії кількість утворюваної органічної речовини в кожній наступній ланці зменшується. Таким чином, кожен ланцюг споживання містить, як правило, не більше 4-5 ланок, тому що внаслідок втрати енергії загальна біомаса кожної наступної ланки приблизно в 10 разів менша за попередню. Ця закономірність називається правилом екологічної піраміди.

Екологічна піраміда буває трьох типів:

1) піраміда чисел - показує чисельність  окремих організмів на кожному рівні, причому загальне число особин, що беруть участь у ланцюгах живлення, з кожною ланкою зменшується;

2) піраміда біомаси - кількісне  співвідношення органічної речовини; при цьому сумарна маса рослин  виявляється більшою, ніж біомаса  всіх травоїдних організмів, маса  яких, у свою чергу, перевищує  масу всіх хижаків; 

3) піраміда енергії (продукції) - кількість енергії в харчах кожного рівня, причому на кожному наступному трофічному рівні кількість біомаси, що утворюється за одиницю часу, більша, ніж на наступному.

Основа в пірамідах чисел  і біомаси може бути менша, ніж  наступні рівні (залежно від співвідношення розмірів продуцентів і консументів). Піраміда енергії завжди звужується до верху.

Усі три правила пірамід - продукції, біомаси і чисел - виражають у підсумку енергетичне відношення в екосистемах. Перші два правила виявляються в угрупованнях із певною трофічною структурою, останнє (піраміда продукції) має універсальний характер.

Знання законів продуктивності екосистем і а кількісний облік потоку енергії мають велике практичне значення:

по-перше, первинна продукція агроценозів  і природних угруповань - основне джерело харчування для людства;

по-друге, одержана за рахунок сільськогосподарських тварин вторинна продукція не менш важлива, тому що містить тваринні білки.

Ефективність трофічних ланцюгів оцінюється величиною біомаси екосистеми та її біологічною продуктивністю.

Екологічна система - складна ієрархічна структура організованої матерії, в якій при об'єднанні компонентів в більші функціональні одиниці виникають нові якості, що відсутні на попередньому рівні; є єдиним стійким природним комплексом живих організмів і природнього середовища, в якому вони існують; відкритою термодинамічною системою, що існує за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та речовини і має здатність до саморозвитку та саморегуляції.

Екологічній системі властиві ознаки систем:

· Емерджентність - виникнення нових властивостей, які характеризують систему, за рахунок взаємодії її окремих елементів

Якісно нові, емерджентні властивості  екологічного рівня, не можна передбачити, виходячи з властивостей компонентів, що становлять цей рівень. Дійсно, окремі лісові дерева, кущі, трави, гриби, птахи, комахи, звірі мають свої якісні характеристики, але всі разом  вони творять нову якість - ліс.

· Сукупність – сума властивостей кожної системи, тобто наявність  сукупних властивостей (наприклад, народжуваність для популяції - сума індивідуальної плодючості особин виду).

· Гетерогенність системи (або принцип  різноманіття) полягає в тому, що система не може складатися з абсолютно  ідентичних елементів.

Але не всяка комбінація “життя - середовище” - може бути екосистемою. Нею може стати лише середовище, де має місце стабільність і чітко функціонує внутрішній колообіг речовин.

Під час вивчення екосистем характеризують:

· видовий чи популяційний склад  і кількісне співвідношення видових  популяцій;

· абіотичні умови та ресурси, що властиві даній системі;

· сукупність усіх зв’язків, у першу - ланцюгів живлення, співвідношення організмів з різним типом живлення;

· розмір первинної і вторинної  продукції;

· просторовий розподіл окремих  елементів;

· швидкість колообігу.

За розмірами розрізняють екосистеми:

· мікроекосистеми (трухлявий пень, мурашник, мертві стовбури дерев);

· мезоекосистеми, або біогеоценози (ділянка лісу, озеро, водосховище);

· макроекосистеми (континент, океан);

· глобальною екосистемою - охоплюють  величезні території чи акваторії, що визначаються характерними для них  макрокліматами і відповідають цілим  природним зонам (екосистеми тундри, тайги, степу, пустелі, саван, листяних і мішаних лісів помірного  поясу, субтропічного і тропічного лісів, морські екосистеми, а також  біосфера нашої планети).

За ступенем трансформації людською діяльністю екосистеми поділяються на:

· природні - у промислове розвинутих країнах екосистем не захоплених людською діяльністю майже не залишилося, хіба що в заповідниках;

· антропогенно-природні - лісові насадження, луки, ниви хоча й складаються, майже, виключно з природних компонентів, але створені і регулюються людьми;

антропогенні - переважають штучно створені антропогенні об'єкти і крім людей можуть існувати лише окремі види організмів, що пристосувалися до цих специфічних умов. Прикладом  є міста, промислові вузли, села (в  межах забудови), кораблі тощо.

Біогеоценоз, поняття і  структура 

В 1944 р. Сукачовим введений термін біогеоценоз.

Біогеоценоз - це сукупність на певному просторі земної поверхні однорідних природних явищ (атмосфери, ґрунту, кліматичних умов, рослинного, тваринного світу), поєднаних обміном речовин і енергії в єдиний природній комплекс.

1. Продуценти, або автотрофи,— організми, що створюють (продукують) органічну речовину з води, вуглекислого газу й мінеральних солей, використовуючи для цього сонячну енергію. У цю групу входять також зелені рослини, їх на Землі налічується близько 350 тис. видів.

2. Консументи, або гетеротрофи,— організми, що отримують життєву енергію, харчуючись рослинами чи іншими тваринами. Це травоїдні тварини, хижаки, паразити, хижі рослини (такі, як росянка) та гриби. Таких організмів на Землі найбільше — близько 1,5 млн видів.

3. Редуценти — організми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук — води, вуглекислого газу й мінеральних солей, замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері, їх на Землі близько 75 тис. видів; це — мікроорганізми.

Вчені оцінили також кількість  усіх живих особин, що населяють  Землю,— 1027 (одиниця з 27 нулями після  неї). Вся ця величезна маса живих  істот перебуває в надзвичайно  складних взаємовідносинах між собою  і з неживою речовиною біосфери. Кількість можливих зв'язків між  членами якої-небудь екологічної системи визначається за формулою:

A=N(N – 1) / 2

де А — число зв'язків, N —  число видів в екосистемі.

Фотосинтез. Фототрофи використовують для синтезу органічних сполук енергію світла. Процес утворення органічних сполук із неорганічних завдяки перетворенню світлової енергії в енергію хімічних зв'язків називають фотосинтезом. До фототрофних організмів належать зелені рослини (вищі рослини, водорості), деякі тварини (рослинні джгутикові), а також деякі прокаріоти — ціанобактерії, пурпурові та зелені сіркобактерії.

Основними з фотосинтезуючих пігментів є хлорофіли. За своєю структурою вони нагадують гем гемоглобіну, але в цих сполуках замість заліза присутній магній. Залізо потрібне рослинним організмам для забезпечення синтезу молекул хлорофілу (якщо в рослину залізо не надходить, то в неї утворюються безбарвні листки, нездатні до фотосинтезу).

Більшість фотосинтезуючих організмів має різні хлорофіли хлорофіл а (обов'язковий), хлорофіл Ь (у зелених рослин), хлорофіл с (у діатомових і бурих водоростей), хлорофіл d (у червоних водоростей). Зелені й пурпурові бактерії містять особливі бактеріохлорофіли.

В основі фотосинтезу лежить окиснювально-відновний процес, пов'язаний із перенесенням електронів від сполук постачальників електронів (донорів) до сполук, які їх сприймають (акцепторів), з утворенням вуглеводів і виділенням в атмосферу молекулярного кисню. Світлова енергія перетворюється на енергію синтезованих органічних сполук (вуглеводів) в особливих структурах - реакційних центрах, що містять хлорофіл а.

У процесі фотосинтезу у зелених  рослин і ціанобактерій беруть участь дві фотосистеми — перша (І) та друга (II), які мають різні реакційні центри та пов'язані між собою через систему перенесення електронів.