Основы экологии

Основы экологии

Наука об условиях жизни  организмов и их взаимных связях со средой. Экология это наука об организмах , наука о взаимоотношениях между  живыми организмами и их сообществами, с окружающей их живой и неживой  средой обитания. Термин экология впервые предложил в 1866 г. зоолог Э. Геккель. Он же дал ее определение как науки об отношении организмов к окружающей среде.

Пирамиды численности  и биомассы                                                                                

Cоотношение численности или биомассы живых организмов, занимающих разное положение в пищевой цепи. Пирамида численности отражает плотность особей на каждом трофическом уровне, пирамида биомассы - их биомассу в сообществе. Биомасса каждой группы организмов, отнесенная к тому или иному моменту времени, называется урожаем. Это очень важный показатель сообщества. Во-первых урожай характеризует содержащуюся в экосистеме энергию, запасенную в тканях различных организмов (потенциальную энергию). Кроме того, его можно рассматривать как показатель стабильности (устойчивости) сообщества, ведь биомасса и численность некоторых популяций являются одновременно и показателем жизненного пространства для организмов данного и других видов. Пирамиды численности отражают только плотность населения организмов на каждом трофическом уровне, но не скорость самовозобновления (оборота) организмов. Если скорость воспроизводства популяции жертвы высока, то даже при низкой биомассе такая популяция может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более высокую биомассу, но низкую скорость воспроизводства. По этой причине пирамиды численности или биомассы могут быть перевернутыми, то есть низкие трофические уровни могут иметь меньшие плотность и биомассу, чем высокие уровни.

Общая биомасса живого вещества составляет, по разным расчетам, от 1800 до 2500 млрд т (в среднем около 2000 млрд т). Более 90% приходится на биомассу наземных растений (фитомассу), остальное - на водную растительность и гетеротрофные организмы. Таким образом, основная роль в живом веществе Земли принадлежит автотрофным растениям суши.                                                                                        Географическое распределение автотрофных организмов крайне неравномерно: оно зависит от количества тепла и влаги. Так, главные запасы фитомассы приходятся на тропические области (более 55%), где они достигают 650 т/га. В полярных и пустынных областях запасы фитомассы составляют всего 1-2%, обычно не превышая 1-2 т/га.

Биомасса гетеротрофных  организмов суши, прежде всего животных (зоомасса), во много раз меньше биомассы растений. В разных биогеоценозах зоомасса составляет от 0, 05% до 5% (в среднем 2-3%) всей биомассы. При этом наиболее высока биомасса почвенных микроорганизмов и беспозвоночных, а доля наземных позвоночных в общей зоомассе - всего от 0, 2% до 4% (то есть в сотни раз меньше).

Составляя незначительную долю биомассы, животные суши тем не менее  играют существенную роль в регулировании  процессов, происходящих в отдельных  биогеоценозах и биосфере в целом (стаи саранчи или стада антилоп). Биомасса Мирового океана существенно меньше, чем биомасса суши ( в несколько сотен раз), причем здесь наблюдается обратное соотношение запасов биомассы растений и животных. Фитомасса (водоросли и фитопланктон) составляет всего около 0, 2 - 0, 3 млрд т, в то время как зоомасса достигает 5-6 млрд т (в 20 раз больше).

Количество фитомассы  океана ограничивается количеством  питательных или биогенных веществ (то есть дающих жизнь элементов).

 Как функционируют  экосистемы

Каждый биологический вид играет определенную роль в своей экосистеме. Ученые доказали, что некоторые виды могут оказывать большое влияние на экосистему в целом и организмы в ней. Ученые назвали такие виды ключевыми. Как правило исчезновение ключевого вида может привести к гибели целого ряда других видов данной экосистемы и самой экосистемы в целом. Например уничтожение земляной черепахи в южных штатах США привело к исчезновению сорока других видов животных, включая серую лису, оппоссума, змеи индиго и многих насекомых. Дело в том, что земляная черепаха роет глубокие норы в земле (глубиной до 9 метров), которые и служат убежищем для всех этих видов животных.

В экосистеме каждый организм занимает определенную экологическую  нишу. "Экологическая ниша - это  комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду для жизни, роста и размножения в данной экосистеме". ("Жизнь в окружающей среде". ч. 1, с. 164) Ученые различают специализированные и общие ниши. Большинство видов растений и животных могут существовать только в специальных нишах, в которых поддерживается определенные физико-химические факторы, температура и источники питания. После того, как в Китае, например, началось уничтожение бамбука, панда, чей рацион на 99% состоит из бамбука, оказалась на грани вымирания. Виды с общими нишами могут легко приспосабливаться к изменяющимся условиям среды обитания. Поэтому существует меньшая опасность вымирания этих видов. Типичные представители видов с общими нишами являются мыши, тараканы, мухи, крысы и люди.

Экологические ниши включают в себя взаимодействие различных  видов в экосистеме. Основные способы  взаимодействия - это "межвидовая конкуренция, хищничество, паразитизм, мутуализм  и комменсализм". ("Жизнь в  окружающей среде". ч. 1, с. 165)

О межвидовой конкуренции  говорят, когда два или более  видов начинают конкурировать за один необходимый для жизни ресурс. Это может быть пища, вода, солнечный  свет и так далее.

Хищничество и паразитизм. Хищничество - наиболее характерная форма взаимодействия видов впищевых цепях. Хищники вынуждены добывать себе пропитание, так как жертвы обладают различными механизмами защиты. Хищничество - это один из механизмов естественного отбора, который служит на благо как самим хищникам, так и их жертвам. Еще один вид взаимодействия - это паразитизм. Паразиты, как правило, живут на хозяине или внутри его большую часть своего жизненного цикла и питаются его питательными веществами. Паразитами могут быть и растения и животные. Типичные представители паразитов - это блохи, ленточные черви, клещи, вши, омела белая (растение).

Мутуализмом называют межвидовые взаимодействия, когда два вида выигрывают от взаимодействия друг с другом. Без  юкковой бабочки опыление пустынного растения юкка было бы невозможным. В то же время, личинки бабочки питаются семенами юкки. Оба эти вида не могли бы существовать друг без друга. Комменсализм характеризуют тем, что один из двух видов извлекает пользу из взаимодействия с другим видом, при этом на другом виде такое взаимодействие никак не отражается.

 Что такое пищевая  цепь?

Это последовательное превращение элементов неорганической природы (биогенных и др. ) с помощью  растений и света в органические вещества (первичную продукцию), а  последних - животными организмами на последующих трофических (пищевых) звеньях (ступенях) в их биомассу. Впищевую цепьвходят все растения и животные, а также содержащиеся в воде химические элементы, необходимые для фотосинтеза. В водепищевая цепьначинается с мель- чайших растительных организмов - водорослей, живущих в эвфотической зоне и использующих солнечную энергию для синтеза органических веществ из растворенных в воде неорганических химических питательных веществ и угле- кислоты. В процессе переноса энергии пищи от ее источника - растений через ряд организмов, происходящих путем поедания одних организмов другими, наблюдается рассеивание энергии, часть которой переходит в тепло. При каждом очередном переходе от одного трофического звена (ступени) к другому теряется до 80-90% потенциальной энергии. Это ограничивает возможное число этапов, или звеньев цепи, обычно до четырех-пяти. Чем корочепищевая цепь, тем большее количество доступной энергии сохраняется. В Байкале пищевая цепьв пелагиали состоит, как уже было сказано, из пяти звеньев: водоросли - эпишура - мак- рогектопус - рыбы - нерпа или хищные рыбы (ленок, таймень, взрослые особи омуля и др. ). Человек участвует в этой цепи как последнее звено, но он может потреблять продукцию и более низких звеньев, например, рыб или даже беспозвоночных при использовании в пищу ракообразных, водных растений и т. п. Короткие трофические цепи менее устойчивы и подвержены большим колебаниям, чем длинные и сложные по структуре.

 Что такое  цепь хищников?

Начальным уровнем (звеном) всякой трофической (пищевой) цепи в водоеме являются растения (водоросли). Растения никого не поедают (за исключением небольшого числа видов насекомоядных растений - росянка, жирянка, пузырчатка, непентес и некоторые другие), напротив, они являются источником жизни для всех животных организмов. Поэтому первой ступенью цепи хищников являются травоядные (пастбищные) животные. Следом за ними идут мелкие плотоядные, питающиеся травоядными, затем звено более крупных хищников. В цепи каждый последующий организм крупнее предыдущего. Цепи хищников способствуют устойчивости трофической цепочки.

 Что такое  паразиты?

Это организмы, питающиеся за счет других организмов, называемых хозяевами. Но в цепи паразитов, в отличие от хищников, каждый последующий трофический уровень (звено) состоит из организмов по размерам меньших, чем организмы предыдущего уровня, на котором или в котором они паразитируют.

Что такое сапрофиты?

Это растения, питающиеся органическими веществами от- мерших организмов или продуктами их метаболизма. По типу питания сапрофиты относят  к гетеротрофным организмам. Сапрофиты  способствуют ускорению разложения трупов и выделений животных до исходных веществ - воды, двуокиси углерода, аммиака и других неорганических соединений - и тем самым играют важную роль в круговороте вещества и энергии в природе. Сапрофиты встречаются, главным образом, среди грибов, актиномицетов и бактерий. Среди водорослей они есть в семействе протококковых (прототена), хламидомонадовых (политомы) и др.

Цепь паразитов, с энергетической точки зрения, принципиально  не отличается от цепи хищников, так  как и паразиты и хищники являются консументами. В цепи паразитов могут быть растительные и животные организмы. Паразит растения на диаграмме потоков энергии будет занимать то же положение, что и травоядные животные, а паразиты животных попадут в категорию хищников. Размеры организмов в цепи паразитов в каждом последующем звене не увеличиваются, а мельчают. Цепи паразитов в среднем короче цепей хищников, так как с уменьшением размеров организма быстро увеличивается интенсивность метаболизма, в результате чего резко сокращается та биомасса, которую можно поддержать при данном количестве пищи. Например, на растения нападают нематоды, а на них могут нападать бактерии и другие мелкие паразиты паразитов (нематод).

Что такое цепь сапрофитов?

Пищевая цепьсапрофитов - это замыкающее звено трофической  цепочки. Сапрофиты питаются мертвыми организмами. Химические вещества, образующиеся при разложении мертвых организмов, снова потребляются растениями - организмами-продуцентами, с которых начинаются все трофические цепи.

Пищевая цепь: Пищевые  отношения в сообществе. Пищевая цепьначинается с солнечной энергии, и каждое звено в цепи представляет собой изменение энергии. Всепищевые цепи в сообществе образуют трофические отношения.

Между компонентами экосистемы существуют разнообразные  связи, и в первую очередь их связывает воедино поток энергии и круговорот вещества. Каналы, по которым течет через сообщество энергия, носят имяцепей питания. Энергия солнечного луча, падающего на верхушки деревьев или на поверхность пруда, улавливается зелеными растениями - будь то огромные деревья или крошечные водоросли, - и используется ими в процессе фотосинтеза. Эта энергия идет на рост, развитие и размножение растений. Растения, как производителей органического вещества, называютпродуцентами. Продуценты, в свою очередь, служат источником энергии для тех, кто питается растениями, а, в конечном счете, для всего сообщества. Первыми потребителями органического вещества являются растительноядные животные -консументы I порядка. Хищники, поедающие растительноядных жертв, выступают в роли консументов II порядка. При переходе от одного звена к другому энергия неизбежно теряется, поэтому в пищевой цепи редко бывает более 5-6 участников. Завершают круговорот редуценты- бактерии и грибы разлагают трупы животных, остатки растений, превращая органику в минеральные вещества, которые снова усваиваются продуцентами.

Урбанизация

Это процесс роста городов, увеличения городского населения, превращения  городских агломератов в мегаполисы. Очень активно идут социальные изменения  в истории человечества. Меняется образ жизни, профессиональная, социальная и демографическая структура общества. Возрастает приток в города сельского населения, появляется маятниковое движение людей из небольших городков, деревень и пригородов в мегаполисы ( на работу, в театры и музеи, за покупками). Города превращаются в искусственную среду обитания человека, которая к тому же достаточно агрессивна (падение уровня здоровья жителей из-за повышенной скученности, шума, высокой концентрации патогенных микроорганизмов, загрязненности среды).

Глобальной экологической  проблемой сейчас, по мнению ученых, становится чистая вода. Очень много  ее расходует современный город, на потребности заводов и фабрик, а также на бытовые нужды. Обеззараживание  воды, поставляемой потребителям необходимо, но при хлорировании ее возникает целый класс хлорорганических соединений, опасных для здоровья людей. Дополнительным загрязнением становятся технические и сельскохозяйственные отходы. В связи с этим вода становится распространителем большого числа заболеваний. Урбанизация - одно из наиболее противоречивых явлений современной цивилизации. Являясь по существу естественным процессом развития социально-экономических отношений, она в то же время ставит перед людьми сложнейшие проблемы - одна из которых локальная концентрация негативных антропогенных факторов, результатом чего является практически повсеместно нарушенная естественная среда: загрязнены воздух, почва, воды водоемов, ухудшается состояние растительности и т. д. Еще в 80-х годах Всемирная организация здравоохранения предупреждала о том, что после угрозы мировой ядерной войны самой серьезной проблемой для человечества к концу нынешнего столетия может стать колоссальный рост городского населения.