Шпаргалка по "Основы экологии"

1. Предмет и задачи экологии

Предметом исследования экологии являются биологические  макросистемы: популяции, сообщества, экосистемы и их динамика во времени  и пространстве.  
Из объекта и предмета экологии вытекают и основные её задачи: изучение динамики популяций и экосистем во времени и пространстве. Главная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы управлять ими в условиях всё возрастающего влияния человека на окружающую среду. Экология изучает принципы и законы, определяющие временные и пространственные типы объединения организмов, потоки вещества и энергии через отдельные трофические уровни, закономерности функционирования экосистем и биосферы в целом.

 

Термин «экология» (от греческого oikos— дом, жилище, место обитания и logos— наука) был введен в научный оборот немецким ученым Э. Геккелем в 1869 году. Им же было дано одно из первых определений экологии как науки, хотя те или иные ее элементы содержатся в трудах многих ученых, начиная с мыслителей Древней Греции. Биолог Э. Геккель рассматривал в качестве предмета экологии взаимоотношения животного с окружающей средой, и, первоначально, экология развивалась как биологическая наука. Однако постоянно возрастающий антропогенный фактор, резкое обострение отношений природы и человеческого общества, возникновение необходимости охраны окружающей среды неизмеримо расширили рамки предмета экологии.В настоящий момент экологию необходимо рассматривать как комплексное научное направление, которое обобщает, синтезирует данные естественных и социальных наук о природной среде и взаимодействии ее с человеком и человеческим обществом. Она действительно стала наукой о «доме», где «дом» (oikos) — вся наша планета Земля.

 

2. Определение и структура экосистем. Функции экосистем

Экосистемой является единый природный комплекс, состоящий из определенных групп живых существ (биоценозов) и среды их обитания (экотопов).

Экосисистема—единый прир. комплекс, образованный живыми орган-ми и средой их обитания, в к-ром все компоненты связаны меж собой обменом  вещ-ва и энергии.

Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую компоненту системы, биоценоз.

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1. климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;
2. неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
3. органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;
4. продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;
5. макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;
6. микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три  компонента формируют биомассу экосистемы

Или

 

Существуют  различные модели экосистем. 
1. Блоковая модель экосистемы. Каждая экосистема состоит из 2 блоков: биоценоз и биотоп. 
Биогеоценоз, по В. Н. Сукачеву, включает блоки и звенья. Это понятие, как правило, применяют к сухопутным системам. В биогеоценозах обязательно наличие как основного звена – растительного сообщества (луг, степь, болото). Существуют экосистемы без растительного звена. Например, те, которые формируются на базе разлагающихся органических остатков, трупов животных. В них достаточно лишь присутствие зооценоза и микробоценоза. 
Каждый биогеоценоз – экосистема, но не каждая экосистема – биогеоценозна. 
Биогеоценозы и экосистемы различаются по временному фактору. Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, так как все время получает энергию от деятельности растительных фото– или хемосинтезирующих организмов. А также экосистемы без растительного звена, заканчивая свое существование высвобождают в процессе разложения субстрата всю содержащуюся в нем энергию. 
2. Видовая структура экосистем. Под ней понимают количество видов, которые образуют экосистему, и соотношение их численностей. Видовое разнообразие исчисляется сотнями и десятками сотен. Оно тем значительнее, чем богаче биотоп экосистемы. Самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы тропических лесов. Богатство видов зависит и от возраста экосистем. В сформировавшихся экосистемах обычно выделяется один или 2 – 3 вида явно преобладающих по численности особей. Виды, которые явно преобладают по численности особей, – доминантные (от лат. dom-inans – «господствующий»). Также в экосистемах выделяются виды – эдификаторы (от лат. aedifica-tor – «строитель»). Это те виды, которые являются образователями среды (ель в еловом лесу наряду с доминантностью имеет высокие эдификаторные свойства). Видовое разнообразие – важное свойство экосистем. Разнообразие обеспечивает дублирование ее устойчивости. Видовую структуру используют для оценки условий местопроизрастания по растениям-индикаторам (лесная зона – кислица, она указывает на условия увлажнения). По растениям-эдификаторам или доминантам и растениям-индикаторам называют экосистемы. 
3. Трофическая структура экосистем. Цепи питания. Каждая экосистема включает в себя несколько трофических (пищевых) уровней. Первый – растения. Второй – животные. Последний – микроорганизмы и грибы. 

3. Компоненты и размеры экосистем

 

Экосистемы  состоят из живого и неживого компонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим. Совокупность живых организмов биотического компонента называется сообществом. Биотический компонент полезно подразделить на автотрофные и гетеротрофные организмы. Таким образом, все живые организмы попадут в одну из двух групп. Автотрофы синтезируют необходимые им органические вещества из простых неорганических и делают, за исключением хемотрофных бактерий, с помощью фотосинтеза, используя свет как источник энергии. Гетеротрофы нуждаются в источнике органического вещества и (за исключением некоторых бактерий) используют химическую энергию, содержащуюся в потребляемой пище. Гетеротрофы в своем существовании зависят от автотрофов, и понимание этой зависимости необходимо для понимания экосистем.

Неживой, или абиотический, компонент экосистемы в основном включает 1) почву или воду и 2) климат. Почва и вода содержат смесь неорганических и органических веществ. Свойства почвы зависят от материнской породы, на которой она лежит, и из которой частично образуется.

Или

1. Экотоп (Обычно понятие экотоп определялось как местообитание организмов, характеризующееся определённым сочетанием экологических условий: почв, грунтов, микроклимата и др. Однако, в этом случае это понятие фактически почти идентично понятию климатоп.)
2. Климатоп (характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химических характеристик воздушной или водной среды, существенных для населяющих эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме.)
3. Эдафотоп (Под эдафотопом обычно понимается почва как составной элемент экотопа. Однако более точно это понятие следует определять как часть косной среды преобразованной организмами, то есть не всю почву, а лишь её часть)
4. Биотоп («Биотоп» — преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза)
5. Биоценоз (Биоценоз — исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп).

Размер  экосистемы может сильно изменяться в зависимости от целей проводимых научных исследований. Размер экосистемы может уменьшаться до лужи и расширяться до размера всего земного шара. Выделяют микроэкосистему, мезокосистему и макроэкосистему. Земной шар – глобальная экосистема.

 

4. Биосфера – определение, границы и функции.

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера сформировалась 500 млн. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы.

 

Границы:

• Верхняя граница в атмосфере: 15—20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
• Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
• Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10—11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

 

Функции:

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота  химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

1. Связывание диоксида  углерода, выделяемого живыми организмами и образующегося в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива), и выделение кислорода в ходе фотосинтеза наземными и водными растениями. Так, зеленая масса насаждений на площади 1 га производит до 70 т кислорода за вегетационный период.

В результате процесса фотосинтеза солнечный свет образуются углеводы, которые являются исходным материалом для формирования растений. Таким образом, фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых.

2. Аккумуляция  и трансформация солнечной энергии.

Наземная и  водная растительность планеты аккумулирует в течение 1 года 31021 калорий энергии Солнца. Это примерно в 100 раз больше вырабатываемой во всем мире энергии. При этом связывается 35 млрд тонн углерода, фиксируется, т. е. превращается в усвояемое состояние 44 млрд тонн азота; выделяется несколько десятков млрд. тонн кислорода и производится другая химическая работа, обусловливающая современное состояние природы Земли. По данным профессора Лаптева И.П. (1975 г.), общая биомасса в биосфере составляет 3-Ю"2—3-Ю13 тонн. Ежегодно производится около 1,64-10п тонн сухого органического вещества. 

3. Обеспечение  веществами и энергией животных  и человека. Трава, деревья, водоросли и другие формы растительной жизни продуцируют пищу из воды и диоксида углерода, содержащегося в тропосфере. Биосфера всегда была и остается жизненной средой обитания человека. Ее основные компоненты — климат, почвы, вода, минеральные вещества, растительный покров, животные — стали теми ресурсами, которые он использует для своей жизнедеятельности.

 

5. Учение В.И. Вернандского о биосфере

Термин Б в нынешн. его понимании трактуется в опред-нии,к-ое дал русск. ученый Вернадский. В 1926г. опубликов. книгу «Б». (Он определил  Б как особую охваченную жизнью оболочку Земли. В физико-хим. составе Б Вернадский выделяет след. компоненты:●живое вещ-во — сов-ть всех живых орган-мов; ●косное вещ-во — неживые тела или явления(газы атмосферы, горные породы магматического, неорганич. происхождения и т.п.); ●биокосное вещ-во — разнородные прир. тела (почвы, поверхностные воды и т.п.); ●биогенное вещ-во— продукты жизнедеят-ти живых орган-мов (гумус почвы, каменный уголь, торф, нефть и т.п.); ●радиоактивное вещ-во; ●рассеянные атомы; ●вещ-во космического происхождения (метеориты).Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли,все ее ландшафты,атмосфера, хим. состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому вещ-ву.Жизнь—это связующее звено меж космо-сом и Землей, к-рое,используя энергию, приходящую из кос-моса, трансформ-т косное вещ-во,создает нов. формы матер.мира. Вернадский не занимался проблемой возникн-я жизни, он понимал ее как естеств. этап самоорганизации материи в любой части космоса,приводящий к возникнов-ю все новых форм ее существ-я.Учение Вернадского нацеливало на изуч-е живых,косных и биокосных тел в их неразрывном единстве. Б-оболочка Земли, включающ. как область распростан-я живого вещ-ва, так и само это вещ-во. Совр. живые существа на планете сосредоточены в 3-х сферах (абиотиская среда или среда обитания): литосфера-твердая оболочка, гидросфера-водн. оболочка, атмосфера-возд.оболочка.В литосфере органич. жизнь распростр-на от поверх-ти и до глубина 2-3км. В гидросфере живые орг-мы распростр. на всю глубину водн.постранства и даже ниже дна океана на 0,5км. Но Б прошла длительн. сложный путь развития, кот-ый назыв. эволюцией. Первая фаза – образование планеты и атмосферы, образование круговорота веществ в атмосфере. Вторая фаза – возникновение жизни(первичные клетки, микробы).

 

 

 

6. Большой (геологический) круговорот веществ и энергии.
7. Малый (биологический) круговорот веществ и энергии.

 

Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот (наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды) происходит в течение сотен тысяч или МИЛЛИОНОВ лет. Его основу определяют процессы разрушения пород, их выветривание и вымывание, образование морских напластований, геотектонические изменения, обмен косного веществ и т.д. Малый круговорот, являясь частью большого, определяет основу функционирования живого вещества и происходит на уровне биогеоценоза. Основа этого процесса – энергия экосистем, которая опреде ляется как способность производить работу.

 

 

8. Закон Линдемана. Пирамиды чисел, массы и энергии

Закон пирамиды энергий Р.Линдемана - в экологии - закон, согласно которому при переходе с одного трофического уровня экологической  пирамиды на другой потребляется в  среднем 10% энергии биомассы или  вещества в энергетическом выражении.  
Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме. На основе правила экологической пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых экологических системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым в свою очередь для образования такой массы необходимо съедать 1000 кг водорослей и бактерий. В данном случае экологическая пирамида будет устойчива.

Однако, как  известно, из каждого правила бывают исключения, которые будут рассмотрены  в каждом типе экологических пирамид.

Типы экологических  пирамид 

1. пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов

Пирамида чисел  отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис.3).

Например, чтобы  прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы  прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Однако подобная форма пирамиды чисел характерна не для всех экосистем. Иногда они  могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами - насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых), поэтому пирамиды чисел наименее информативны и наименее показательны, т.е. численность организмов одного трофического уровня в значительной степени зависит от их размеров.