Задание 1. Дайте определение понятиям экосистема и биогеоценоз. Кто авторы данных терминов? Опишите компоненты экосистемы (рис. 1) и биогеоценоза (рис. 2).
В чем сходство и различия этих понятий?
Экосистема-это любая совокупность живых организмов и среды их обитания, в которой осуществляется общий обмен веществ и энергии. Автор Артур Тэнсли.
Биогеоценоз — исторически сложившаяся система биотического сообщества (биоценоза) и абиотической среды (биотопа). Автор Владимир Сукачёв.
Биогеоценоз и экосистема — понятия сходные, но не тождественные. Понятие «экосистема» не имеет ранга и размерности, поэтому оно применимо как к простым (муравейник, гниющий пень) и искусственным (аквариум, водохранилище, парк), так и к сложным естественным комплексам организмов с их средой обитания. Биогеоценоз, согласно российскому ученому В. Н, Сукачеву, отличается от экосистемы определенностью объема. Если экосистема может охватывать пространство любой протяженности. -— от капли прудовой воды с содержащимися в ней микроорганизмами до биосферы в целом, то биогеоценоз —- это экосистема, границы которой обусловлены характером растительного покрова, т. е. определенным фитоценозом. Следовательно, любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема есть биогеоценоз.
Рисунок 1 – Функциональная схема экосистемы
Биотические факторы – все формы взаимодействия живых организмов друг с другом.
Абиотические факторы – все элементы неживой природы (свет, температура, влажность, давление, структура и состав почвы, рельеф местности и др.)
Рисунок 2 – Схема биогеоценоза (по В.Н. Сукачеву)
Структура биогеоценоза состоит из таких генеральных компонентов: биотоп (экотоп), а также биоценоз. Биотоп - абиотическая среда, участок земной поверхности, который занимают живые организмы.
Любой биогеоценоз имеет в составе: продуценты (зелёная растительность), консументы (первичные, вторичные), редуценты (микроорганизмы), компоненты неживой природы. Между этими компонентами возникают связи различных порядков
Задание 2. Любой биогеоценоз (и экосистема) образованы организмами разных трофических уровней: продуцентов, консументов иредуцентов. Полночленность трофической структуры биоценозов – аксиома синэкологии. В конкретных биогеоценозах продуценты, консументы и редуценты представлены популяциями многих видов, вклад которых в преобразование потока энергии неодинаков. Ряды, в которых можно проследить пути расходования потока энергии, называют цепями питания, а место каждого звена в цепи питания – трофическим уровнем.
Раскройте понятия «продуценты», «консументы», «редуценты», приведите соответствующие примеры.
Продуценты — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, то есть, все автотрофы. Это, в основном, зелёные растения (синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза), однако некоторые виды бактерий-хемотрофов способны на чисто химический синтез органики без солнечного света.Пример: тополь, одуванчик, подснежник.
Консументы(от лат. consumе — употреблять) — гетеротрофы, организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые автотрофами (продуцентами). В отличие от редуцентов, консументы не способны разлагать органические вещества донеорганических.Пример: травоядные – заяц, корова, мышь; хищные – леопард, сова, морж;падальщики – гриф, тасманийский дьявол, шакал.
Редуценты(также деструкторы, сапротрофы, сапрофиты, сапрофаги) — микроорганизмы (бактерии и грибы), разрушающие отмершие остатки живых существ, превращающие их в неорганические и простейшие органические соединения. Пример: дождевой червь, навозный жук, грибы, бактерии.
Задание 3.Рассмотрите рисунок 3 и объясните, что такое «пирамида энергии», «пирамида чисел», «пирамида биомасс» (продукции). Объясните, почему пирамида энергии для любой экосистемы всегда имеет правильный вид (основанием обращена вниз), а пирамиды чисел для цепей паразитов и пирамиды биомасс для пелагиали океана (в момент «мгновенного измерения») имеют перевернутый вид («вверх ногами»).
Рисунок 3 – Экологические пирамиды:
А. Пирамиды чисел. Б. Сравнение пирамид чисел, биомассы и энергии для пищевой цепи люцерна – скот – человек (на 4 га).
Масштаб логарифмический (по E.Odum, 1971)
Пирамиды чисел-отражает численность отдельных организмов на каждом уровне.
Пирамиды биомасс-соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (общем сухом весе, энергосодержании или другой мере общего живого вещества).
Пирамиды энергии-отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.
Пирамидаэнергии (продуктивности) любой экосистемы всегда имеет правильную форму, то есть подчиняется правилу: на каждом последующем уровне пищевой цепи продуктивность меньше, чем на предыдущем.
Пирамида чисел для цепей паразитов. В случае, если продуцент очень крупный, или в том случае, если большое число паразитов питаются на немногочисленных консументах, пирамида может оказаться перевернутой.
Пирамида биомасс дляпелагиали океана.В пелагиали океанов, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью оборота генераций, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вся чистая первичная продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей очень мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества.
Продуктивность экосистем
Все три экологические пирамиды – чисел, биомасс, энергии – выражают в конечном итоге энергетические отношения в экосистемах. Важнейшим практическим результатом энергетического подхода к изучению экосистем явилось осуществление исследований по Международной биологической программе, проводившихся учеными разных стран мира начиная с 1969 года в целях изучения потенциальной биологической продуктивности Земли. Благодаря этим исследованиям удалось подсчитать максимальную биологическую продуктивность нашей планеты (рис. 1), т.е. тот природный фонд, которым располагает человечество, и максимально возможные нормы изъятия продукции для нужд растущего населения Земли.
Теоретически возможная скорость создания первичной продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. Максимально достигаемый в природе КПД фотосинтеза 10–12% энергии ФАР, что составляет около половины от теоретически возможного. Такая скорость связывания достигается, например, в зарослях джугары и тростника в Таджикистане в кратковременные, наиболее благоприятные периоды. КПД фотосинтеза в 5% считается очень высоким для фитоценоза. В целом по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1%.
Мировое распределение первичной продукции крайне неравномерно. Самый большой абсолютный прирост растительной массы достигает в среднем 25 г в день в очень благоприятных условиях (в эустариях рек и в лиманах аридных районов). На больших площадях продуктивность автотрофов не превышает 0,1 г на квадратный метр. Общая годовая продукция сухого органического вещества на Земле составляет 150–200 млрд. тонн. Около трети его образуется в океанах, около двух третей – на суше. Почти вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержания жизни всех гетеротрофных организмов. Энергия, недоиспользованная консументами, запасается в их телах, органических осадках водоемов и гумусе почв. Продуктивность растительности изменяется не только при переходе от одной климатической зоны к другой, но и в пределах каждой зоны.
Для четырех континентов мира средняя продуктивность различается сравнительно мало. В Европе она составляет 85 ц/га, в Азии – 98, в Африке – 103, в Северной Америке – 82, в Австралии и Океании – 86. Самая высокая продуктивность – в Южной Америке – составляет 209 ц/га.
Питание людей обеспечивается в основном за счет сельского хозяйства. Примерно половина урожая сельскохозяйственных культур идет непосредственно на питание людей, остальная часть – на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отбросах. Всего человек потребляет около 0,2% первичной продукции Земли.
Особенно трудно обеспечить население вторичной продукцией. Имеющиеся на Земле вторичные ресурсы (продукты животноводства, промысла на суше и в океане), могут обеспечить ежегодно лишь около 50% потребностей современного населения.
Задание 4.Используя данные рисунка 4, опишите значимость различных типов экосистем Земли в формировании чистой первичной продукции (ЧПП) биосферы. Объясните причину различия показателей продуктивности экосистем Мирового океана и континентов.
Рисунок 4 – Годовая первичная продукция в различных природных сообществах Земли
Сукцессии
Хотя экосистемы, находясь в стационарном состоянии, отличаются статистическим постоянством своих элементов, они могут развиваться, переходя от более простых к более сложным формам. Развитие биоценозов, при котором имеет место замещение во времени одного сообщества другим, называют экологической сукцессией. Последовательный рядпостепенно и закономерно сменяющих друг друга в ходе сукцессии сообществ называют сукцессионной серией. Значительный вклад в изучение сукцессий внесли американский ученый Ф. Клементс (1904, 1916) и отечественный ученый В.Н. Сукачев (1939).
Сукцессионные смены могут идти: 1) с участием как автотрофного, так и гетеротрофного населения и 2) с участием лишь гетеротрофов. Сукцессии второго типа совершаются только в таких условиях, где создается предварительный запас или постоянное поступление органических соединений (в сильно загрязненных органикой водоемах, в скоплениях разлагающихся остатков, в кучах навоза и т. д.).
Задание 5. Дайте определение понятиям «первичная» и «вторичная сукцессия». Опишите основные этапы этих сукцессий. Отметьте отличия и сходства. В каких местах могут в настоящее время происходить первичные сукцессии?
При первичной сукцессии экосистема появляется на том месте, где раньше ничего не росло (не было почвы).
Вторичная сукцессия происходит путем вытеснения одной экосистемы другой либо на месте исчезновения экосистемы в результате какого-либо происшествия (новая экосистема возникает на месте, где уже есть плодородная почва).
Рисунок 5 – Основные этапы протекания сукцессий
Наиболее распространённые пионеры — мхи и лишайники. Они поселяются на свободном участке и постепенно преобразуют безжизненный грунт в почву. Лишайники выделяют кислоты, под действием которых происходит разрушение твёрдой породы. Остатки отмерших растений бактерии превращают в гумус, который смешивается с песком. Так формируется почва, а на ней уже поселяются другие растения. Постепенно мхи и лишайники вытесняются травами, корневые системы которых разрастаются в трещинах твёрдой породы и продолжают её разрушение. Травы сменяются многолетними растениями и кустарниками, они обогащают почву продуктами своей жизнедеятельности. В почве почве накапливается всё больше гумуса, повышается её плодородие.Слой почвы увеличивается, и на ней могут поселиться деревья (сосна, берёза, осина, ель).
Полный процесс вторичной сукцессии длится около 100-200 лет. Он начинается, когда на участках появляются однолетние травяные растения. Через 2-3 года их вытесняют многолетние травы, потом еще более сильные конкуренты – кустарники. Конечным этапом становится появление деревьев. Растут осина, ель, сосна и дуб, которым заканчивается процесс сукцессии. Это означает что восстановление естественной экосистемы на этом участке полностью завершено.
Главное различие между Первичной и Вторичной экологической сукцессией состоит в том, что Первичная сукцессия является процессом, при котором растения и животные впервые заселяют бесплодную среду обитания, тогда как Вторичная сукцессия является процессом, при котором растения и животные заселяют бесплодную среду обитания после серьезных потрясений — таких как разрушительное наводнение, лесной пожар, оползень, поток лавы или деятельность человека.
Сходство заключается в том, что и первичная и вторичная сукцессия протекает через ряд этапов, при этом биотические сообщества сменяют друг друга. Замещение видов в сукцессии вызвано тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами.
В настоящее время первичные сукцессии могутпроисходитьна оголившемся участке скалы, участке застывшей вулканической лавы, на недавно сформированной песчаной дюне или после отхода ледника.