Классификация живых организмов.

Предмет и задачи экологии.

Как самостоятельная наука экология сформировалась приблизительно к 1900 г. Термин «экология» был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г.

Экология – наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и окружающей их природной средой, а также структуру и функционирование надорганизменных систем.

Объекты изучения современной экологии составляют трехступенчатое сооружение. На первой ступени, находятся отдельные особи, выше располагаются популяции и сообщества, последнюю ступень занимают экосистемы. Каждая такая ступень характеризуется своими структурными и функциональными характеристиками.

Центральным разделом экологии является изучение экосистем, которые по своей сути являются тем, что нас окружает. Экосистема является отдельным предметом экологии, который можно считать самостоятельным объектом. Экология изучает связи между организмами, между организмами и средой их обитания, взаимосвязи внутри надорганизменных систем.

В зависимости от типа изучаемой биологической системы в экологии выделяют следующие разделы: факториальная экология (аутэкология), учение о популяциях (демэкология), учение о сообществах (синэкология), учение об экосистемах (биогеоценология) и учение о биосфере (глобальная экология).

- Аутэкология — раздел экологии, изучающий действия различных природных факторов на отдельные (искусственно изолированные) организмы;

- Демэкология, экология популяций — раздел общей экологии, изучающий динамику численности популяций, внутрипопуляционные группировки и их взаимоотношения. В рамках демэкологии выясняются условия, при которых формируются популяции;

- Синэкология — раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов различных видов внутри сообщества организмов. Часто синэкологию рассматривают как науку о жизни биоценозов, то есть многовидовых сообществ животных, растений и микроорганизмов;

- Учение о биосфере – раздел экологии, изучающий роль живых организмов как главнейшую преобразующую силу планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Экология как наука должна решать следующие задачи:

1. Исследование влияния среды на строение, жизнедеятельность и поведение организмов.

2. Исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенными воздействиями на природные системы.

3. Изучение экологических механизмов адаптации к среде.

4. Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости.

5. Создание научной основы рациональной эксплуатации природных ресурсов, прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека и управления процессами, протекающими в биосфере.

6. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в природной среде под влиянием деятельности человека.

7. Оптимизация экономических, правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного, устойчивого развития.

8. Восстановление нарушенных природных систем, сохранение эталонных участков биосферы.

9. Формирование экологического мировоззрения, развитие экологического сознания и культуры у людей всех возрастов и профессий.

10. Создание новых технологий, основанных на понимании экологических возможностей данного региона, его специфичности.

Классификация живых организмов.

Автотрофы - организмы, получающие все нужные им для жизни химические элементы из окружающей косной материи и не нуждающиеся в готовых органических соединениях другого организма для построения собственного тела. Основной источник энергии, используемый автотрофами - Солнце. Автотрофы считаются поставщиками энергии биосферы: они не только питаются сами, но и кормят своим телом других. Поэтому их называют продуцентами.

Гетеротрофы - это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), т.е. готовые органические вещества. Жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов.Биомассу, которую образуют гетеротрофы, называют вторичной.

Миксотрофы - организмы со смешанным типом питания (сине-зеленые водоросли и растения-паразиты).

Продуценты— организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии.

Консументы— организмы, не способные строить свои организмы из неорганических веществ и нуждающиеся в готовой органической пище. Это органическое вещество создается автотрофами. Пища используется консументами и как источник энергии, и как материал для построения их тела.

Редуценты — организмы, использующие в качестве пищи органическое вещество и подвергающие его минерализации. Поэтому данная категория организмов также называется деструкторами, ибо они окончательно разрушают органические вещества до относительно простых неорганических соединений, используемых консументами в качестве пищи. Тем самым осуществляется возврат вещества в начало природной цепи питания. К редуцентам относятся многие виды бактерий и грибов, разлагающих в процессе метаболизма мертвое органическое вещество (трупы животных, гниющие растения, фекалии) до минеральных составляющих.

Организм и среда

Среда — комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях.

Влияние среды на организм.

Организм, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависит от среды. На основе этого российский ученый К.Ф. Рулье открыл следующий закон: результаты развития (изменений) любого объекта (организма) определяются соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он находится. Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, носит название адаптации.

Способность к адаптациям — одно из основных свойств жизни вообще, поскольку обеспечивает саму возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией.

Влияние живых организмов на среду.

Организмы способны существенно воздействовать на среду. Жизнедеятельность живых организмов сильно влияет на состав атмосферы. Это связано с тем, что в результате фотосинтеза зеленых растений в атмосферу поступает кислород, а диоксид углерода, извлекается из атмосферного воздуха и вновь поступает туда в процессе разложения остатков погибших организмов.

Закон предела воздействия организма на среду: «Каждый вид организмов, потребляя из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее таким образом, что среда обитания становится непригодной для его существования»

Таким образом, организмы не только испытывают воздействие постоянно меняющихся условий среды, но и сами способны изменять эти условия.

Экологические факторы среды

Экологический фактор — это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития.

Абиотические факторы- это все свойства неживой природы, прямо или косвенно влияющие на живые организмы (свет, температура, радиация, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, рельеф местности и т.д.).

Биотические факторы- это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Любой организм в реальных условиях постоянно испытывает на себе самое различное влияние других существ.

Антропические факторы- факторы, которые возникают в ходе непосредственного (прямого) воздействия человека.

Антропогенный фактор - под этим термином понимают фактор, косвенно обязанный своим происхождением деятельности человека.

Выделяются первичные и вторичные периодические факторы, а также непериодические факторы.

К первичным периодическимфакторам относят явления, связанные в основном с вращением Земли: суточная смена освещенности, смена времен года. Эти факторы действовали задолго до появления жизни на Земле и возникающие живые организмы должны были адаптироваться к ним.

Вторичные периодическиефакторы — следствие первичных периодических: например, влажность, температура, осадки, динамика растительной.

К непериодическимфакторам относятся факторы, не имеющие правильной периодичности. Таковы почвенно-грунтовые факторы, стихийные явления.

Абиотические факторы

В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.

Основные климатические факторы

Энергия Солнца.Она распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и

Температура.Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников.

Осадки, влажность. Вода обязательна для жизни на Земле. Осадки, тесно связанные с влажностью воздуха, представляют собой результат конденсации и кристаллизации водяных паров в высоких слоях атмосферы.

Подвижность среды.Ветер - важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т. п. Подвижность в пространстве и перемешивание водных масс способствуют поддержанию относительной однородности физических и химических характеристик водных объектов.

Давление. Нормальным атмосферным давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101, 3 кПа, соответствующее 760 мм рт. ст. или 1 атм. Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру, которые называют циклонами. Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией.

Топографические факторы.

Высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление.

Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Поднимаясь над горами, воздух охлаждается, что часто вызывает осадки и тем самым снижает его абсолютное влагосодержание.

Экспозиция (освещенность) склона. В Северном полушарии теплее на южных склонах, а в Южном полушарии — на северных склонах.

Крутизна склона, влияющая на дренаж. Вода стекает со склонов, смывая почву, уменьшая ее слой.

Рельеф местности — один из главных факторов, влияющих на перенос, рассеивание или накопление примесей в атмосферном воздухе.

Состав среды.

Состав водной среды. Большая часть поверхности Земли (72%) покрыто водой. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Недостатка в воде как в химическом веществе в водных средах нет, за исключением случаев пересыхания водоемов.

Состав воздуха.Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания - состав воздуха, естественной смеси газов, сложившейся в ходе эволюции Земли. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, зависящего от жизнедеятельности живых организмов и геохимических явлений глобального масштаба.

Состав почв.Почва — слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. В данном случае почва рассматривается среди прочих абиотических факторов, хотя на самом деле она является важнейшим звеном, связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания.

Огонь (пожары).

В сочетании с определенными климатическими условиями (сушь, ветер) он может привести к полному или частичному выгоранию растительности в большинстве наземных местообитаний, гибели животных и микроорганизмов.

Биотические факторы.

Все живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду или биоту. Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно многообразны. Прежде всего различают гомотипические реакции, т. е. взаимодействие особей одного и того же вида, и гетеротипические — отношения представителей разных видов.

Представители каждого вида способны существовать в таком биотическом окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Главной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения организмов различных категорий, составляющие основу пищевых (трофических) цепей, сетей и трофической структуры биоты.

Кроме пищевых связей, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения. В результате действия многих факторов разнообразные виды объединяются не в произвольном сочетании, а только при условии приспособленности к совместному обитанию.

Закон минимума Либиха

Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Кроме того, живой организм в природных условиях подвергается воздействию многих экологических факторов одновременно. Растения нуждаются в значительных количествах влаги и питательных веществ (азот, фосфор, калий) и одновременно в относительно малых количествах таких элементов, как бор и молибден.

законом минимума Либиха: величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего.

Впоследствии в закон Либиха были внесены уточнения. Важной поправкой и дополнением служит закон неоднозначного действия фактора на различные функции организма: любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма, оптимум для одних процессов, например дыхания, не есть оптимум для других, например пищеварения, и наоборот.

Эдуардом Рюбелем в 1930 г. был установлен закон компенсации факторов: отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором.

Однако подобные возможности чрезвычайно ограничены. В 1949 г. Василий Робертович Вильямс сформулировал закон незаменимости фундаментальных факторов: полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды, биогенов и т. д.) не может быть заменено другими факторами.

К группе уточнений закона Либиха относится несколько отличное от других правило фазовых реакций «польза — вред»: малые концентрации токсиканта действуют на организм в направлении усиления его функций (их стимулирования), тогда как более высокие концентрации угнетают или даже приводят к его смерти.

Эта токсикологическая закономерность справедлива для многих (так, известны лечебные свойства малых концентраций змеиного яда), но не всех ядовитых веществ.

Закон лимитирующих факторов Шелфорда.

Фактор среды ощущается организмом не только при его недостатке, а также и при избытке любого из экологических факторов. Жизненная активность организма заметно угнетается при малых значениях и при чрезмерном воздействии экологического фактора.

Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его значении, оптимальном для данного организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору.

Толерантность — это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Закон толерантности: любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.

Закон лимитирующих факторов: даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе - к его гибели.

Поэтому экологический фактор, уровень которого приближается к любой границе диапазона выносливости организма или заходит за эту границу, называют лимитирующим фактором.

Понятие о популяции

Демэкология - раздел общей экологии, изучающий структурные и функциональные характеристики, динамику численности популяции, внутрипопуляционные группировки и их взаимоотношения, выясняющий условия, при которых формируются популяции, и др.

Популяция — это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды.

Популяция обладает общим генофондом и занимает определенную территорию. Популяция обладает важнейшим для поддержания жизни вида в течение длительного периода качеством — способностью к перестройке своего генофонда в ответ на изменение экологических факторов среды обитания.

У особей популяции формируются адаптации, соответствующие условиям той местности, где они обитают. Поэтому популяция представляет собой развивающуюся единицу. Популяция является основным биотическим элементом экосистем.

Основным свойством популяции является ее беспрерывное изменение, движение, динамика, что сильно влияет на структурно-функциональную организованность, продуктивность, биологическое разнообразие и устойчивость системы.

Внутривидовые связи — это отношения, связанные с воспроизводством: между особями разных полов и между родительскими и дочерними поколениями. В популяциях действуют законы, позволяющие использовать ограниченные ресурсы среды так, чтобы обеспечить возможность появления потомства, что является генетической целью популяции.

Показатели популяций

Выделяют две группы количественных показателей — статические и динамические.

1) Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. К ним относятся следующие.

Численность - общее количество особей на выделяемой территории или в данном объеме. Этот показатель популяции никогда не бывает постоянным, он зависит от соотношения интенсивности размножения (плодовитости) и смертности.

Плотность популяции - среднее число особей (или биомассы) на единицу площади или объема занимаемого популяцией пространства. Плотность популяции изменчива, она зависит от численности. В случае возрастания численности плотность популяции не увеличивается лишь в том случае, если возможно расселение ее, т.е. расширение ареала.

2) Динамические показатели популяции включают рождаемость смертность, прирост и темп роста популяции.

Рождаемость (плодовитость) - число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения. Размножение характеризуется биотическим потенциалом, представляющим собой скорость, с которой при беспрерывном размножении особи определенного вида могут покрыть земной шар равномерным слоем.

Смертность популяции - число погибших в популяции особей в определенный отрезок времени. Подобно плодовитости, смертность изменяется в зависимости от условий среды обитания, возраста и состояния популяции; смертность выражается в процентах к начальной или чаще к средней величине ее.

Прирост популяции — разница между рождаемостью и смертностью; прирост может быть положительным, нулевым и отрицательным.

Темп роста популяции — средний прирост ее за единицу времени.

Структура популяций.

Возрастная структура популяций

Возрастная структура популяции характеризует общее количество представленных в ней возрастных групп и соотношение их численности или общей массы присутствующих в группе организмов (биомассы). Такое соотношение называют обычно возрастным распределением (то есть распределением численности по возрастным группам) или возрастным спектром популяции.

Простая возрастная структура популяций. При такой структуре популяциях характеризуются одной возрастной группой. Уязвимость таких популяций крайне высока. Так, все однолетние растения весной находятся в проростках, затем почти одновременно зацветают, дают семена и к осени отмирают.

В популяции со сложной возрастной структурой представлены все возрастные группы. Здесь одновременно живут несколько поколений. Такие популяции не подвержены резким колебаниям численности.

Возрастной спектр связан с интенсивностью смертности организмов. Кроме того, он зависит также и от величины рождаемости, поскольку последней определяется величина приплода.

Возрастная структура популяции может изменяться под действием внешних факторов, так как они контролируют процессы и рождаемости, и смертности.

В состав возрастных групп может входить различное число генераций.

Генерация - поколение, группа организмов в популяции, одинаково отдалённых в родственном отношении от общих предков.

По возрастному спектру оцениваются способность популяции к самоподдержанию численности и ее устойчивость к внешним воздействиям. Чем сложнее возрастной спектр, тем устойчивее воспроизводство популяции.

Половая структура популяций.

Половая структура популяции - численное соотношение полов, т.е. половой состав, имеет большое значение для дальнейшего роста ее численности. Соотношение полов зависит, прежде всего, от биологии вида и сильно различается у моногамных и полигамных животных.

Для первых нормой является соотношение полов 1: 1.

Для вторых типично преобладание самок.

Экологические и поведенческие различия между особями мужского и женского пола могут быть сильно выражены. Так, самцы комаров питаются нектаром растений и слизывают росу, а самки являются кровососущими.

Но даже если образ жизни самцов и самок сходен, они различаются по многим физиологическим признакам: темпам роста, срокам полового созревания, устойчивостью к климатическим изменениям, голоданию и т.д.

Пространственная структура популяции.

Каждая популяция занимает пространство, обеспечивающее условия жизни для ограниченного числа особей. При изучении пространственной структуры различают распределения особей на территории (в пространстве):

- случайное,

- равномерное,

- неравномерное (групповое).

Случайное распределение в природе встречается редко; оно наблюдается в случаях, когда среда очень однородна, а организмы не стремятся объединиться в группы.

Равномерное распределение бывает там, где между особями очень сильна конкуренция или существует антагонизм (выражается прежде всего в борьбе за существование).

Наиболее часто наблюдается неравномерное (групповое) распределение - образование различных скоплений.

В зависимости от характера использования пространства подвижных животных подразделяют на оседлых и кочевых. Оседлые животные в течение всей или большей части жизни используют довольно ограниченный участок среды. Им присущи инстинкты привязанности к своему участку, регулярное возвращение к месту размножения после длительных и дальних миграций.

Кочевые животные совершают постоянные передвижения в пространстве, так как они зависят от запаса корма на данной территории. Кочевой образ жизни характерен преимущественно для стад и стай. Перемещение кочующих видов по площади обычно происходит за сроки, достаточные для восстановления кормовых ресурсов на пастбищных участках.

Этологическая (поведенческая) структура популяций.

Этологическая (поведенческая) структура. Она отражает разнообразные формы совместного существования особей в популяциях

Выделяют следующие виды форм совместного существования:

1) Одиночный образ жизни - характерен для многих видов (например, ежи, сомы, щуки и т.д.), но лишь на определенных стадиях жизненного цикла. Эффект группы - оптимизацию физиологических процессов, ведущих к повышению жизнеспособности особей при их совместном существовании. Эффект группы проявляется как реакция отдельной особи на присутствие других особей своего вида. Эффект группы состоит также в ускорении темпов роста животных, повышении плодовитости, более быстром образовании условных рефлексов, повышении средней продолжительности жизни индивидуума.

2) Семейный образ жизни резко усиливает связи между родителями и их потомством. При семейном образе жизни территориальное поведение животных выражено наиболее ярко. Присущие ему различные сигналы, маркировка, ритуальные формы угрозы и даже прямая угроза (часто со стороны и самца и самки) обеспечивают владение участком, размеры и пищевая емкость которого достаточна для выкармливания потомства.

3) Колония. Будучи групповым поселением оседлых животных, она может существовать как длительно, так и возникать лишь на период размножения. Значительно более сложная форма колонии — поселения животных, в которых отдельные их жизненные функции выполняются сообща. Это в свою очередь повышает вероятность выживания отдельных особей.

Некоторые общественные насекомые — пчелы, муравьи, организуют весьма сложные колонии — семьи. Здесь насекомые выполняют сообща много основных функций: защиты, размножения, обеспечения кормом себя и потомства, строительства и т.п., для чего осуществляют обязательное разделение труда и специализацию отдельных особей, в том числе разных возрастных групп. При этом члены колонии постоянно обмениваются информацией друг с другом.

4) Стая. Это временное объединение животных одного вида (насекомых, птиц, рыб, реже млекопитающих и др.), связанное с общностью места обитания или размножения. Стайность облегчает выполнение каких-либо функций в жизни вида, например, защиты от врагов, добычи пищи, миграции.

5) Стадо — это группа диких или домашних животных одного вида, обитающая на какой-либо территории или акватории. В стаде осуществляются все основные функции жизни: добывание корма, защита от хищников, миграции, размножение, воспитание молодняка и т.п. При этом основу группового поведения животных в стадах составляют взаимоотношения доминирования (главенства) — подчинения, которые обусловлены индивидуальными различиями между особями.

6) Внутривидовая конкуренция. В этом случае между особями сохраняется солидарность, так что они в состоянии размножаться и обеспечивать таким образом передачу свойственных популяции наследственных свойств.

7) Паразитирование на себе подобных, т.е. внутривидовой паразитизм, встречается нечасто, оно характеризует в основном отношения разных полов. Внутривидовой паразитизм имеет приспособительное значение.

Динамика популяций

Динамика популяций — это процессы изменения ее основных биологических показателей (численности, биомассы, структуры) во времени в зависимости от экологических факторов. Жизнь популяции проявляется в ее динамике — одном из наиболее значимых биологических и экологических явлений.

3.7.1. Кривые выживания.

Рис.1.1. Кривые выживания: 1-

Кривая выживания представляет собой график зависимости от времени числа выживших на данный момент особей для некоторой начальной группы новорожденных. Каждому биологическому виду свойственна своя характерная кри­вая выживания. При построении графика по оси абсцисс откладывают относительный возраст, а по оси ординат — абсолютное число выживших особей.

Кривая 1 на рис. 1.1 близка к идеальной кривой выживания для популяции, в которой старение — главный фактор, влияющий на смертность. Детская смертность выше средней, она изображается начальным участком А, а наличие долгожителей — конечным участком Б (кривая 1). Кроме того, на кривую выживания влияет фактор «случайной гибели», причины которой с возрастом могут меняться.

Кривая 3 иллюстрирует изменения в популяции, у которой смертность относительно постоянна в течение всей жизни организмов. Причиной смерти преимущественно служит случай, и особи гибнут до начала заметного старения. Большая или меньшая смертность среди молодых особей приводит к изменению крутизны опускания начальной части кривой 3.

К промежуточному типу относят кривые выживания таких видов, для которых смертность мало меняется с возрастом. В природе существует много видов птиц, ящериц, мелких млекопитающих и других организмов, имеющих кривые выживания2, которые отличаются от прямолинейной диагонали некоторой выпуклостью (вогнутостью) или волнообразностью.

Форма кривой выживания часто меняется при изменении плотности популяции. С увеличением плотности кривая становится более вогнутой, т. е. при увеличении численности организмов их смертность возрастает.

Существуют также внутривидовые различия в кривых выживания.

Структура биоценозов

Под структурой биоценоза понимают достаточно четкие выраженные закономерности в соотношениях и связях его частей.

Пищевые цепи и сети

Пищевая цепь — это последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Она представляет собой путь движущегося через живые организмы однонаправленного потока поглощенной при фотосинтезе солнечной энергии. В конечном итоге эта цепь возвращается в окружающую природную среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся питательные вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцентам, а затем обратно к продуцентам.

Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего - вторичными консументами и т. д. Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко более шести (рис. 5.1).

Существуют два главных типа пищевых цепей — пастбищные (или «выедания») и детритные (или «разложения»).

В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй — пастбищные животные (термин «пастбищные» охватывает все организмы, питающиеся растениями), а третий — хищники.

Детритная пищевая цепь начинается с детрита.

Концепция пищевых цепей позволяет проследить круговорот химических элементов в природе.

Экологические пирамиды

Пирамида численности

Для построения пирамиды численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням:

Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствуют численному значению количества особей. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности, получают экологическую пирамиду численности (рис. 5.3.

Рис. ___ Экологическая пирамида численности для луга, поросшего злаками: цифры — число особей

Пирамида биомасс

Экологическую пирамиду биомасс строят аналогично пирамиде численности. Она показывает количество живого вещества (биомассу — суммарную массу организмов) на каждом трофическом уровне. В пирамиде биомасс размер прямоугольников пропорционален массе живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице площади или объема.

Термин «пирамида биомасс» возник в связи с тем, что в абсолютном большинстве случаев масса первичных консументов, живущих за счет продуцентов, значительно меньше массы этих продуцентов, а масса вторичных консументов значительно меньше массы первичных консументов. Биомассу деструкторов принято показывать отдельно.

Одним из следствий описанного являются «перевернутые пирамиды». Зоопланктон биоценозов озер и морей чаще всего обладает большей биомассой, чем его пища — фитопланктон, однако скорость размножения зеленых водорослей настолько велика, что в течение суток они восстанавливают всю съеденную зоопланктоном биомассу. Тем не менее в определенные периоды года (во время весеннего цветения) наблюдают обычное соотношение их биомасс (рис. 5.6).

Зима

Весна

Рис. ___. Сезонные изменения в пирамидах биомассы озера (на примере одного из озер Италии): цифры — биомасса в граммах сухого вещества, приходящегося на 1м3

Кажущихся аномалий лишены пирамиды энергий, рассматриваемые далее.

Пирамида энергий

Самым фундаментальным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т. е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период.

К основанию пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.

Мальчик

Телятина

Люцерна

Солнечная энергия

 

Численность

Биомасса

энергия

 

Пирамида энергий отражает динамику прохождения массы пищи через трофическую цепь, что принципиально отличает ее от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы (количество организмов в данный момент)

Правило десяти процентов

Линдеман Карл Эдуардович (1942) сформулировал закон пирамиды энергий, или правило 10%: с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице» продуцент — консумент — редуцент), в среднем около 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды.

На самом деле потеря бывает либо несколько меньшей, либо несколько большей, но порядок чисел сохраняется. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемым верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее — не более 0, 5% (и даже 0, 25%) от общего ее потока, поэтому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Видовая структура биоценоза

123456Следующая ⇒

Поделиться: