Роль живых организмов в формировании биосферы

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Под охраной природы принято понимать систему мер, направленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной среды. Эта система мер должна обеспечивать сохранение и восстановление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, а также предупреждать прямое и косвенное вредное влияние промышленного производства на природу и здоровье человека. Одновременно ставится задача обеспечить сохранение равновесия между развитием производства и устойчивостью окружающей природной среды в интересах человечества. Для этого необходимо комплексное изучение процессов, происходящих в окружающей природе, и организация всех видов производств с учетом выявленных закономерностей. Научной Основой для исследований природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства является учение о биосфере Земли.

Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс; основоположник современного учения о биосфере — русский ученый В. И. Вернадский. В представлении В. И. Вернадского биосфера охватывает то пространство, в котором живое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли;

В современном представлении биосфера—это Сложная динамическая большая система, состоящая из многих компонентов живой и неживой природы, целостность которой поддерживается в результате постоянно действующего биологического круговорота веществ.

В основе учения В, И. Вернадского лежат представления О Планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы, как продукта длительного превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли. Живое Вещество — это совокупность живых организмов, существовавших или существующих в определенный отрезок времени И являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых существ, изучаемых биологией, живое вещество как биогеохимический фактор характеризуется элементарным составом, массой и энергией. Оно аккумулирует и трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Через живое вещество многократно прошли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге Живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты.

В.И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей планеты обеспечивает образование живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым процесс эволюции органического мира.

В представлений В. И. Вернадского биосфера включает в себя четыре основных компонента:

живое вещество — совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество, т. е. продукты, образовавшиеся в результате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, почвенный гумус и ip.);

биокосное вещество — преобразованное организмами неорганическое вещество (например, приземная атмосфера, некоторые осадочные породы и т.д.);

косное вещество — горные породы в основном магматического, неорганического происхождения, слагающие земную кору.

Любые виды растений, животных и микроорганизмов, взаимодействуя с окружающей средой, обеспечивают свое существование не как сумма особей, а как единое функциональное целое, представляющее собой популяцию (популяции сосны, комара и т.д.).

По С.С.Шварцу, популяция — это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время и в постоянно изменяющихся условиях среды. Иначе говоря, популяция — это форма существования вида, та надорганизменная система, которая делает вид потенциально (но не реально) бессмертным. Это свидетельствует о том, что приспособительные возможности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее отдельных организмов.

Популяция как элементарная экологическая единица обладает определенной структурой, которая характеризуется составляющими ее особями и их распределением в пространстве. Популяциям свойственны рост, развитие, и способность поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях.

В природе популяции растений, животных и микроорганизмов составляют системы более высокого ранга — сообщества живых организмов, или, как их принято называть, биоценозы. Биоценоз — это организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К- Мебиусом, который установил, что все члены одного сообщества живых организмов находятся в тесной и постоянной взаимосвязи. Биоценоз является продуктом естественного отбора, когда его устойчивое существование во времени и пространстве зависит от характера взаимодействия популяций и возможно лишь при обязательном поступлении лучистой энергии Солнца и наличии постоянного круговорота веществ.

Иногда для упрощения изучения биоценоза его условно разделяют на отдельные компоненты: фитоценоз — растительность, зооценоз — животный мир, микробоценоз — микроорганизмы. Такое деление приводит к искусственному выделению отдельных группировок живых организмов, которые самостоятельно существовать не могут. Не может быть устойчивой система, которая состояла бы только из растений или только из животных. Сообщества и их компоненты необходимо рассматривать как биологическое единство разных типов живых организмов.

Биоценоз не может развиваться сам по себе, вне и независимо от среды неорганического мира. В результате в природе складываются определенные относительно устойчивые комплексы, совокупности живых и неживых компонентов. Пространство с однородными условиями, заселенное сообществом организмов (биоценозом), называется биотопом, т.е. биотоп — это место существования, место обитания биоценоза. Поэтому биоценоз можно рассматривать как исторически сложившийся комплекс организмов, характерный для данного конкретного биотопа.

Биоценоз образует с биотопом диалектическое единство, биологическую макросистему еще более высокого ранга — биогеоценоз. Термин «биогеоценоз», обозначающий совокупность биоценоза и его местообитания, предложил в 1940 г. В. Н. Сукачев. Термин практически тождествен термину «экосистема», который принадлежит А. Тенсли.

Экологическая система — это система, состоящая из живых и неживых элементов среды, между которыми имеет место обмен веществом, энергией и информацией. Экологические системы разных рангов могут включать ограниченное или очень большое число компонентов и занимать малые или очень большие площади и объемы; экологическая система Европы, экологическая система страны, экологическая система области, района, зоны действия предприятия и т.д.

Под биогеоценозом понимается элемент биосферы, где на известном протяжении биоценоз (сообщество живых организмов) и отвечающий ему биотоп (части атмосферы, литосферы и гидросферы) остаются однородными и тесно связанными между собой в единый комплекс. То есть, под биогеоценозом понимается естественный природный комплекс, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, геоморфологическая, гидрологическая, микроклиматическая, ночвенно-геохимическая или какая-либо другая граница. Это однородный по топографическим, микроклиматическим, гидро логическим и биотическим условиям участок биосферы. Понятие «экологическая система» не несет в себе этого ограничения и может объединять разные природные комплексы (лес, луг, реку и т.д.). Сам биогеоценоз является элементарной экологической системой.

Элементарная структурная единица биосферы — биогеоценоз— состоит из двух взаимосвязанных составляющих (рис. 3.1):

абиотической (биотоп), включающей абиотические элементы внешней среды, находящиеся во взаимосвязи с живыми организмами;

биотической (биоценоз), сообщество живых организмов, обитающих в пределах выделенного биотопа (выделенной экологической системы).

Абиотическая составляющая включает в себя компоненты: литосфера, гидросфера и атмосфера.

В литосфере выделяются участок массива горных пород, земной поверхности, которые являются местом обитания живых организмов и входят в состав выделенного биоценоза. Важной характеристикой биотопа является участок земной поверхности с особой структурой и вещественным составом почв (педосферы) в пределах выделенного участка.

К гидросфере относятся поверхностные и подземные воды, находящиеся в пределах биотопа и прямо или косвенно обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая на территории выделенного района в виде осадков.

К атмосфере (газовой составляющей) относятся: атмосферный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземныхводах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяющиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов.

Биотическая составляющая природной среды (биоценоз) включает в себя три компонента: фитоценоз—продуценты (производители) первичной продукции, аккумулирующие энергию Солнца; эоценоз— консументы, производители вторичной продукции, использующие для своей жизнедеятельности энергию, заключенную в органическом веществе фитоценоза; микробоце-ноз—редуценты (диструкторы), организмы, живущие за счет энергии мертвого органического вещества и обеспечивающие его разрушение (минерализацию) с получением исходных минеральных элементов в виде, удобном для использования растениями для воспроизводства первичной органической продукции.

Все компоненты природной среды (биогеоценоза), его биотическая и абиотическая составляющие находятся в постоянной взаимосвязи и обеспечивают эволюционное развитие друг друга. Состав и свойства литосферы, гидросферы и атмосферы в значительной степени определяют живые организмы. При этом сами живые организмы, обеспечивая жизнедеятельность друг друга, зависят от изменений условий внешней среды. Внешняя среда обеспечивает их энергией и необходимыми питательными веществами.

Таким образом, в целом биосфера заключает в себя следующие уровни жизни: популяцию, биоценоз, биогеоценоз. Каждый из этих уровней обладает относительной независимостью, что и обеспечивает возможность эволюции макросистемы в целом, где эволюционирующей единицей является популяция. При этом элементарной структурной единицей биосферы служит биогеоценоз, т. е. сообщество организмов в совокупности с неорганической средой обитания (см. рис. 3.1).

В современных условиях деятельность человека преобразует природные богатства (леса, степи, озера). На смену им приходит посев и посадки культурных растений. Так формируются новые экологические системы — агробиогеоценозы или агроценозы. Агроценозами являются не только сельскохозяйственные поля, но и полезащитные лесные посадки, пастбища, лесопосадки, пруды и водохранилища, каналы и осушенные болота. В большинстве случаев агробиоценозы по своей структуре характеризуются незначительным количеством видов живых организмов, но высокой их численностью. Хотя в структуре и энергетике естественных и искусственных биоценозов есть много специфических черт, принципиальных различий между ними не существует.

Значительно сложнее дело обстоит с экологическими системами, возникающими в зонах влияния промышленных предприятий, городов, плотин и других крупных инженерных сооружений. Здесь в результате активного воздействия людей на окружающую среду формируются качественно новые экологические системы, функционирование которых обеспечивается в результате естественных природных процессов и постоянного воздействия промышленного предприятия иа абиотическую (нежи' вую) и биотическую (живую) составляющие природы.

5. Биотический круговорот веществ в биосфере

Существование биосферы в целом и отдельных ее Частей обеспечивает круговорот веществ и превращение энергии:

Круговорот веществ в биосфере осуществляется в цервуЮ очередь на основании жизнедеятельности большого разнбобра* зия организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для своей жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. Причем некоторые виды жи« вых организмов потребляют нужные им вещества Непосредст* венно из окружающей среды, другие используют продукты, пе* реработанные и выделенные первыми, третьи — вторыми и так до тех пор, пока вещество вновь не возвращается в природную1 среду в первоначальном состоянии. Отсюда и возникает необхо* димость сосуществования различных организмов (видовое многообразие), способных использовать продукты жизне* деятельности друг друга, т. е. действует практически безотход; ное производство биологической продукции.

Общее число живых организмов и скорость их развития в биоценозе зависят от количества энергии, поступающей в экологическую систему, скорости ее передачи Через отдельные элементы системы и от интенсивности циркулйцИй Минеральный веществ. Особенностью этих процессов является то, что питательные вещества (углерод, азот, вода, фосфор и т. Д> ) Циркулируют между биотопом и биоценозом постоянно, т, е. используй ются бесчисленное-число раз, а энергия, поступающая в эКОло* гическую систему в виде потока солнечной радиации, расходует^ ся Полностью. Согласно закону сохранения И Превращения, энергий, поступающая в экологическую систему, мОЖет перехо* дить из одной формы в другую. Второй фундаментальный прин> цип — любое действие, связанное с преобразованием энергии, не может происходить без ее потери в виде рассеянного в' пространстве Тепла. То есть часть поступающей в экологическою систему энергии терйетсй и не может совершать работу.

Любая экологическая система В Процессе СёОей эволюции стремится к своему равновесному состоянию, когда все ее фн= эические параметры принимают пОСтойНйое значение, & коэффициент полезного Действий достигает максимального значении»

Жизнедеятельность любого организма обесйечййаетсй в ре= зультате многосторонних биотических отношений, в которые он вступает с другими организмами. Все организмы Могут быть классифицированы по способу питания и тому трофическому уровню, на котором они находятся в общей цепи питания. По способу питания выделяют две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные обладают способностью создавать органические вещества из неорганических, используя энергию Солнца или энергию, освобождающуюся при химических реакциях.

Гетеротрофные организмы используют в качестве пищи органическое вещество. При этом в качестве пищи могут использоваться живые растения или их плоды, мертвые остатки растений и животных. При этом каждый организм в природе в том или ином виде служит источником питания для ряда других организмов.

В результате последовательного перехода органического вещества с одного трофического уровня на другой происходят круговорот вещества и передача энергии в природе (рис. 3.2). При этом органические вещества, переходя с одного трофического уровня на другой, частично исключаются из круговорота. В результате на Земле происходит накопление органических соединений в виде залежей полезных ископаемых (ТОрф, уголь, нефть, газ, горючие сланцы и др.). Однако Существенно био масса на Земле не накапливается, а удерживается на каком-то определенном уровне, поскольку она постоянно разрушается и вновь создается из одного и того же строительного материала, т.е. в ее пределах протекает беспрерывный круговорот веществ. В табл. 3.1 приводятся данные о скорости воспроизводства биомассы для некоторых природных экологических систем.

В процессе жизнедеятельности организмов в корне преобразовалась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился-свободный кислород, а в ее верхних слоях — озоновый экран; углекислота, извлеченная организмами из воздуха и воды, законсервировалась в отложениях угля и карбоната кальция.

В результате геологических процессов происходят деформации и разрушение верхней части литосферы. Ранее погребенные осадочные породы оказываются вновь на поверхности. В дальнейшем происходит их выветривание, в котором живые организмы также принимают активное участие.

Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствуют разрушению горных пород и тем самым участвуют в обеспечении процесса миграции химических элементов.

Общее количество солнечной энергии, ежегодно получаемой Землей, составляет примерно 2-1024 Дж. В процессе фотосинтеза в год образуется около 100 млрд. т органических веществ и аккумулируется 1, 9-1021 Дж энергии Солнца. Для процессов фотосинтеза ежегодно вовлекается из атмосферы 170 млрд.т •углекислого газа, разлагается фотохимическим путем около 130 млрд. т воды и выделяется в окружающую среду 115 млрд.т кислорода. Кроме этого, в круговорот веществ вовлекается 2 млрд. т азота, кремния, аммония, железа, кальция и многих других веществ. Всего в биологическом круговороте участвуют более 60 элементов.

Фаза синтеза органического вещества сменяется на последующем этапе биологического круговорота фазой его разрушения с одновременным рассеиванием в пространстве потенциальной химической энергии (в виде тепловой энергии) В результате осуществляется переход органического вещества в газовую, жидкую и твердую формы (минеральные и другие соединения). В процессе этих трех фаз происходит возобновление биологического круговорота, который поддерживается солнечной энергией и в который вовлекаются практически одни и те же массы веществ и химических элементов.

В процессе геологического круговорота веществ осуществляется перенос минеральных соединений с одного места в другое в масштабах всей планеты, а также происходит перенос и изменение агрегатного состояния воды (жидкая, твердая — снег, лед; газообразная — лары). Наиболее интенсивно вода циркулирует В парообразном состоянии.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера И реки, а оттуда снова в океан.

С появлением живого вещества на основе круговорота воды и растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического возник круговорот органического вещества, или малый биологический круговорот.

В биологическом круговороте наиболее важен процесс транспирации. При поглощении почвенной влаги корнями растения с водой в него поступают растворенные в воде минеральные и органические вещества. Процесс транспирации важен также и для регулирования температуры растения, предохраняя его от перегрева. Благодаря потерям тепла, которые происходят при испарении воды, температура растения понижается. Одновременно этот процесс регулируется самим растением — в жаркую погоду устьица, расположенные на листьях, раскрываются шире и этим способствуют усилению испарения и понижению температуры, а при более низкой температуре устьица прикрываются, интенсивность испарения уменьшается. Таким образом, транспирации одновременно является и физиологическим и физическим процессом, так как от обычного испарения с неживого вещества она отличается возможностями регулирования самим растением.

Транспирационную способность растения часто оценивают по коэффициенту транспирации, характеризующему объем воды, который необходимо затратить для образования единицы массы сухого вещества растения. Например, для образования 1 т наземной растительной массы пшеницы, т.е. зерна и соломы, расходуется 300—500 м3 воды Расход воды на травепирацию зависит от большого числа факторов: от характера самого растения, условий погоды, наличия влаги в почве. В сухую жаркую погоду растение нуждается в расходовании большого количества воды на транспира-цию.

Корни растений всасывают почвенную влагу с разных глубин. Корневая система пшеницы распространяется на глубину до 2, 0—2, 5 м, корни дуба иногда проникают на глубину до 20 м. Благодаря этому растения способны использовать влагу, залегающую на больших глубинах, и меньше зависят от колебаний увлажненности поверхностного слоя почвы.

Испарение с почвы нельзя рассматривать изолированно от транспирации Так, например, под пологом леса с поверхности почвы испаряется мало воды, независимо от ее наличия. Это происходит потому, что солнечная радиация слабо проникает через кроны деревьев. Кроме того, под пологом леса скорость движения воздуха замедляется, и он больше насыщен влагой. В этих условиях основная часть влаги испаряется за счет транспирации.

В круговороте воды наиболее важны те фазы, которые происходят в пределах отдельных бассейнов рек и озер. Растительность выполняет важную экранирующую функцию, задерживая часть выпадающей в осадках воды. Этот перехват, который, естественно, бывает максимальным при слабых дождях, может в умеренных широтах достигать до 25% общей суммы осадков.

Часть воды задерживается в почве, -причем тем сильнее, чем значительнее почвенный коллоидальный комплекс (гумус и глина). Та часть воды, которая проникает в почву на глубину 20—30 см, может вновь подняться на ее поверхность по капиллярам и испариться. Таким образом, переход воды с поверхности в атмосферу осуществляется в результате физического испарения и процесса транспирации. При этом количество воды, транспирируемой рас гениями, увеличивается с улучшением их водоснабжения. Так, одна береза испаряет за день 0, 075 м3 воды; бук —0, 1 м\ липа — 0, 2, а I га леса — 20— 50 м3. 1 га березняка, масса листвы которого составляет 4940 кг, испаряет 47 м-' воды в день, а I га ельника, масса хвои которого 31 тыс. кг. транспирирует 43 м: < воды в день. 1 га пшеницы за период развития использует 375 мм осадков, а продуцирует 12, 5 т (сухая масса) растительного вещества.

Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. На создание органического вещества затрачивается всего 0,! —0, 2% падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот — до 50%)- Несмотря на это. энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию на планете первичной продукции.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимичес-кими циклами. Основные биогеохимические циклы — круговорот кислорода, углерода, воды, азота, фосфора и ряда других элементов.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все они тесно связаны между собой различными формами взаимодействия. Основными звеньями биогеохимических циклов выступают живые организмы, которые и обусловливают интенсивность всех круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

Практически весь молекулярный кислород земной атмосферы возник и поддерживается на известном уровне благодаря деятельности зеленых растений. В большом количестве он расходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, обладая высокой химической активностью, кислород непременно вступает в соединения почти со всеми элементами земной коры. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, проходит через живые организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 200 лет, углекислота совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 млн. лет.

Круговорот и миграцию веществ в биохимических циклах можно рассмотреть на примере круговорота углерода (рис. 3.3). На суше он начинается с фиксации углекислого газа растения ми в процессе фотосинтеза. Диоксид углерода, содержащийся в атмосфере, поглощается растениями и в результате фотосинтеза образуются углеводороды и выделяется кислород

В свою очередь, углеводы являются исходным материалом для формирования растений.

Фиксированный в растении углерод в значительной мере потребляется животными. Животные при дыхании также выделяют углекислый газ. Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Часть углекислого газа из атмосферы поступает в океан, где он находится в растворенном виде. То есть океан обеспечивает поддержание углекислого газа в атмосфере в определенных пределах. В свою очередь, содержание углерода в океане на определенном уровне обеспечивается за счет накопленных запасов карбоната кальция в донных осадках. Наличие этого постоянно действующего природного процесса в определенной степени регулирует содержание углекислого газа в атмосфере и в водах океана.

Круговорот азота, как и другие биогеохимические циклы, охватывает все области биосферы (рис. 3.4). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. В современных условиях в круговорот азота вмешался человек. Он выращивает на обширных площадях азотофиксирующие бобовые растения или искусственно связывает природный азот. Считается, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем его образуется в естественных условиях.

Круговорот фосфора, который является одним из основных элементов, необходимых живым организмам, относительно прост. Основные источники фосфора — изверженные (апатиты) и осадочные (фосфориты) породы. Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми организмами, которые при его участии синтезируют ряд органических соединений и передают его на разные трофические уровни. Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фосфаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные ортофосфаты, доступные для зеленых растений. В водоемы фосфаты попадают в результате стока рек, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на разных уровнях трофической цепи пресноводных или морских водоемов. Возвращение минеральных фосфатов в воду также осуществляется в результате деятельности микроорганизмов. Следует, однако, отметить, что фосфаты, отложившиеся на больших глубинах, выключаются из круговорота, что необходимо учитывать при составлении баланса данного биогеохимического цикла. Таким образом, происходит только частичное возвращение фосфора, попавшего в океан, обратно на сушу. Этот процесс происходит в результате жизнедеятельности птиц, питающихся рыбой.

Частично фосфор поступает на континент в результате вылова рыбы, который ведет человек. Однако количество фосфора, ежегодно поступающего с рыбной продукцией, значительно ниже его выноса в гидросферу, которое достигает многих миллионов гонн в год. Кроме того, человек, внося фосфатные удобрения па поля, значительно ускоряет процесс выноса фосфора в водотоки и океан. При этом водоемам наносится экологический ущерб, так как нарушаются естественные процессы жизнедеятельности организмов, обитающих в воде.

Поскольку запасы фосфора весьма ограничены, то бесконтрольное его расходование может привести к ряду отрицательных последствий. Он является основным лимитирующим (рак-тором для автотрофных организмов как водной, так и наземной сред, главным регулятором ряда других биогеохимических круговоротов. Так, например, содержание нитратов в воде или кислорода в атмосфере в значительной степени зависит от интенсивности круговорота фосфора в биосфере.

6. Природные экологические системы

Структура и динамика популяций. Изучение структуры и динамики популяций имеет большое практическое значение.

Не зная закономерностей жизнедеятельности популяции. Нельзя обеспечить разработку научно обоснованных экологических, инженерных и организационных мероприятий по рациональному использованию и охране природных ресурсов.

Популяционный подход к изучению жизнедеятельности организмов основан на их способности регулировать свою числен* ность и плотность при воздействии разнообразных абиотических и биотических факторов внешней среды.

Основные параметры популяции — ее численность и плотность. Численность популяции—это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Она никогда не бывает постоянной и, как правило, зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности.

Плотность популяции определяется количеством особей или биомассой на единицу площади или объема. Напри» мер, 106 растений березы на 1 га. или 1.5 окуня в I м3 воды характеризуют плотность популяций этих видов. При возраста нии численности плотность Не увеличивается лишь в том случае, если возможно расселение популяции на большую площадь или в большем объеме.

Размеры ареала распространения, численность И плотность популяций непостоянны и могут изменяться в значительных пределах. Нередко эти изменения связаны с деятельностью человека. Но основными причинами такой динамики являются изменения условий существования, наличия кормов (т.е. энергетических ресурсов) и других причин.

Установлено, что численность популяций может кОлебаТьСй Небеспредельно. Удержание численности популяции в определенных пределах обеспечивается ее способностью к саморегулированию. Любая популяция всегда имеет нижние И верхние пределы плотности, за границы которых Она выходить не мбжет (рис. 3.5). При благоприятном сочетании факторов плотность популяции удерживается на каком-то оптимальном уровне, Незначительно отклоняясь от него. Такие колебания плотности Обычно носят правильный, регулярный характер и Четко ОТра жают реакцию Популяции на конкретные изменения условий среды. В природе могут иметь место сезонные колебания ^ие* ленности, особенно у мелких животных (мышевидные грызуны. Насекомые, некоторые птицы). Так, численность мышевидны* грызунов в течение одного сезона иногда увеличивается в 300— Б00 раз, а некоторых насекомых в 1300—-1500 раЗ.

Падение плотности ниже оптимальной обусловливает ухудшение защитных свойств популяции, уменьшение ее Плодовитости и ряд Других отрицательных явлений. Популяций С мИ> нимальной численностью особей длительно существовать не могут, Известны случаи вымирания животных с низкой численностью даже в заповедниках с весьма благоприятными условия ми жизни. Повышение плотности сверх оптимальной также неблагоприятно сказывается на популяции, поскольку при этом уничтожается кормовая база и сокращается жизненное пространство.

Популяции регулируют свою численность и приспособлива-ются к изменяющимся условиям среды путем обновления особей. Особи появляются в популяции благодаря рождению и иммиграции, а исчезают в результате смерти и эмиграции. При сбалансированной интенсивности рождаемости и смертности формируется стабильная популяция. В такой популяции смертность компенсируется приростом, т.е. численность популяции к ее ареал удерживается на определенном уровне.

Однако равновесия популяций в природе не существует. Каждая популяция наделена как статическими, так и динамическими свойствами, поэтому плотность их постоянно колеблется. Но при стабильных внешних условиях колебания эти происходят около какой-то средней величины. В результате популяции не сокращаются и не увеличиваются, не расширяют и не сужают своего ареала.

Саморегулирование плотности популяции осуществляется действующими в Природе двумя взаимно уравновешивающимися силами. Это, с одной стороны, свойственная организмам способность к размножению, с другой —- зависящие от плотности популяции процессы, ограничивающие воспроизводство. Авторегуляция плотности популяции — необходимое приспособление для поддерживания жизни в постоянно меняющихся условиях.

Популяция — это наименьшая эволюционирующая единица. Она существует не изолированно, а в связи с популяциями других видов. Поэтому в природе одновременно широко распро странены и внепопуляционные механизмы автоматической регуляции, точнее межпопуляционные. При этом популяция является регулируемым объектом, а в качестве регулятора выступает природная система, слагающаяся из множества популяций разных видов. Эта система в целом и входящие в ее состав популяции других видов влияют на данную, конкретную популяцию, а каждая в отдельности со своей стороны воздействует на всю систему, в состав которой она входит.

Функционирование и структура биогеоценозов. В биоценозах между различными видами живых организмов возникают определенные связи. Основной формой этих связей служат пищевые взаимоотношения, на базе которых формируются сложные цепи и циклы питания и пространственные связи. Именно иа пищевых и пространственных отношениях (трофических и топических) строятся разнообразные биотические комплексы, объединяющие виды живых организмов в единое целое, т.е. в биологическую макросистему — биогеоценоз.

Естественные биогеоценозы обычно представляют собой многовидовые сообщества. И чем разнообразнее по видовому составу биоценоз, тем у него больше возможностей для более полного и экономичного освоения материальных и энергетических ресурсов.

Все звенья цепи питания взаимосвязаны и зависимы друг от друга. Между ними, от первого к последнему звену, осуществляется передача вещества и энергии (рис. 3.6, а). При передаче энергии с одного трофического уровня на другой происходит ее потеря. Вследствие этого цепь питания не может быть длинной. Чаще всего она состоит из 4—6 звеньев на суше и 5—8 в океане. В любой цепи питания не вся пища используется на рост особи, т.е. на накопление биомассы. Часть ее расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и др. При этом биомасса одного звена не может быть переработана последующим звеном полностью. В каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы по сравнению с предыдущим. Это касается не только биомассы, но и численности особей и потока энергии.

Это явление было изучено Ч. Элтоном и названо пирамидой чисел, или пирамидой Элтона (рис. 3.6.6). Основание пирамиды образуют растения — продуценты, Над ними располагаются фитофаги. Следующее звено представлено консументами второго порядка. И так далее до вершины пирамиды, которую составляют наиболее крупные хищники. Число этажей пирамиды обычно соответствует числу звеньев пищевой цепи.

Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экологической системы в геометрической форме. Они могут быть построены из отдельных прямоугольников одинаковой высоты, длина которых в определенном масштабе отражает значение измеряемого Параметра. Таким образом можно построить пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Источником энергии для биологического круговорота веществ является солнечная радиация, аккумулируемая зелеными растениями — автотрофами. Из всей достигающей Земли солнечной радиации только около 0, 1—0, 2% энергии улавливается Зелеными растениями и обеспечивает весь биологический круговорот веществ в биосфере. При этом более половины энергии, связанной с фотосинтезом, расходуется самими растениями, а остальная аккумулируется в теле растения и в дальнейшем Служит источником энергии для всего многообразия организмов последующих трофических уровней.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒