Экология. Законы развития экосистем

СМОЛЕНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИКИ

 

 

 

 

ДИСЦИПЛИНА: ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

Вариант 10

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                             Выполнил(а):студент(ка)

  Группы 341

 Фоменко И.В.

 Проверил(а) преподаватель

 иванов И.М.

 

Смоленск 2011

 

2

Экология. Законы развития экосистем.

 

Окружающая нас живая природа  – это не беспорядочная и случайное сочетание живых существ, а устойчивая организованная система, сложившаяся в процессе эволюции органического мира. Каждый вид занимает в этой системе определенное место.

Что же такое экология?

Экология от греческого «ойкос»-жилище, место обитание, «Логос» - наука, учение, значит экология – это наука о место обитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей средой. Термин «экология» ввел в научный обиход немецкий зоолог и эволюционист Э.Геккель в 1866 году. Подлинного рассвета это наука достигла в 20 веке, ее развитие продолжается и сейчас.

В задачи экологии входят изучение взаимоотношений организмов и их популяций с окружающей средой, исследования действия среды на строение, жизнедеятельность и поведение организма, установление зависимости между средой и численностью популяции. Экология исследует отношения между популяцией разных видов в сообществе, между популяциями и факторами внешней среды, их влияние на расселение видов, на развитие и смену сообществ. Экология, неразрывно связано с эволюционным учением. Связями организмов со средой занимаются и другие науки. Например, физиология изучает реакции организмов на внешние раздражители. Этология занимается взаимодействием организмов и среды. Экология рассматривает те же процессы и явления, но с особой точки зрения. Задачи экологии – изучить закономерности размещения живых организмов,

изменения их численности, поток энергии через живые системы, круговорот веществ, происходящий при участии живых организмов. Организмы в природе не существуют изолированно друг от друга. Особи одного вида образуют популяции. Популяции - это группировки, населяющие определенную территорию (ареал). Популяции разных видов, занимающие определенный участок (озеро, лес, болото, луг и т.д.) образуют сообщество. Сообщество вместе с неживыми компонентами среды, с которыми оно взаимодействует (солнечный свет, климат, почва, вода и т.д.) составляет экосистему. Все эти объекты относятся к трем разным уровням организации: организменному, популяционно-видовому и экосистемному. Все это и изучает экология. Выделяют аутоэкологию и синэкологию. Аутоэкология – это наука, которая изучает взаимодействие отдельных видов со средой обитания. Синэкология – это наука, которая изучает сообщество. Как известно, сообщество (биоценоз) – это совокупность растений и животных, населяющих    участок      среды      обитания.     А                  совокупность

3

сообщества и среды носит  название экологической системы (биогеоценоз).

Популяцией называется группа организмов, которая относится к одному или близким видам и занимающую определенную область, место обитания (ареал). Экологическая ниша – это условие необходимые для существования популяции. Она определяет положение вида в цепях питания. В зависимости от характера питания строится пирамида питания. Она состоит из нескольких трофических уровней. Низший уровень – это автотрофные организмы ( питаются неорганическими соединениями), это растения (автотрофы). Высокий уровень – это гетеротрофные организмы, используют в пищу биомассу растений. Затем идут гетеротрофы второго порядка ( они питаются гетеротрофами первого порядка, т.е. травоядными животными и т.д.).

 

Растение                       Заяц                               волк                      и         т .д.

(автотрофы)  (гетеротрофы 1-го  порядка) (гетеротрофы 2-го порядка)

 

Пирамида питания связана с круговоротом вещества в биосфере.

 

Растения                                       Первичные потребители

Бактерии и грибы,

разлагающие органические

соединения                     Вторичные потребители

 

Один из важнейших принципов  экологии -  принцип устойчивости ( чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее – тем устойчивей биосфера). Экология показала, что живой мир - это единая система, связанная цепочками питания и иными взаимоотношениями. Из сказанного можно сделать вывод, что каждый организм может существовать только при условии постоянной связи со средой обитания, с другими организмами, неживой природой. Живые организмы в процессе эволюции распространялись на планете и размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда  может выдерживать их дальнейшее увеличение.

Итак, экосистема – это сообщество вместе с неживыми компонентами среды, с которыми оно взаимодействует. Развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Развитие экосистем называется сукцессией. Сукцессия -  это последовательность сообществ, сменяющих друг друга. Она  состоит из стадий развития, стабилизации и климакса. На первой стадии продукция растет до максимума, на второй остается постоянной, на третьей уменьшается  до нуля по мере разрушения системы. Пример сукцессии: зарастание небольшого озера, появления на его месте болота, затем леса. Сменяются одни растения

4

другими, параллельно меняется и животное население. Сообщество, которое стабильно при отсутствии внешних нарушений, называется климаксом. Сообщества, которые сменяют друг друга в ходе сукцессии, называются сериальными. Итак, сукцессия  - несезонная, направленная и непрерывная последовательность  появления и исчезновения видов в данном месте обитания. Для завершения сукцессии требуется сотни и тысячи лет. Например, в лесной зоне умеренного полюса для завершения сукцессий, начавшихся «на голом месте», требуется от двести до тысячи лет. При этом длительность сукцессий зависит от местных условий. Например, в водоемах с сильным течением сукцессия резко замедляется или останавливается. В других случаях на сообщество действуют пожары, наводнения, вырубки участков леса. По ходу замены одного сообщества другим меняется видовой состав. Различают виды - доминанты (господствующие). Экспелеренты – они конкурентно слабее доминантов, но быстро захватывают участки. Среди доминантов есть виды – эдификаторы (образуют ярус , при уничтожении его не могут существовать и другие ярусы). Ценофобы поселяются на участках, лишенных растительности. В ходе сукцессий растет биомасса вещества, меняется видовое богатство. На ранних стадиях сукцессий количество видов возрастает, затем достигает максимума, а при достижении климакса может снижаться. В ходе сукцессии более простые сообщества с низким разнообразием сменяются сообществами с более сложной структурой. Итак, экосистемная экология ( экология сообществ) исследует видовой состав сообществ, структуру и изменение их во времени.

К основным законам экологии относится закон минимума. Его сформулировал химик Либих в 1840 году. Он изучал влияние на рост растений содержание химических элементов в почве. Например: пусть в почве содержатся все элементы минерального питания, нужные для вида растения, кроме бора. Рост растений на такой почве либо угнетен или невозможен. Если добавить в почву бора, то это приведет к увеличению урожая, но если мы будем вносить любые другие вещества, то это не даст эффекта. Это правила применима не во всех случаях, так если в почве не хватает нитратов, это можно компенсировать, добавляя в почву аммиак.

Второй «закон толерантности». Избыток какого-либо фактора тепло, свет, вода может ограничивать распространение данного вида. Каждый вид обладает толерантностью (диапазоном устойчивости). Если фактор выходит за пределы толерантности, организм погибает. Например, растение сухих мест обитания (кактус) получает большое количество влаги. Есть условия, которые наиболее благоприятны для роста и размножения видов. Эти условия называются оптимальными (оптимум). Горох прорастает при низкой температуре, значит оптимум

5

это такие условия, в которых  особи данного вида оказываются  наиболее приспособленными (т.е. оставляют наибольшее число потомков).

Принцип «Олли». Недонаселенность и перенаселенность могут оказывать лимитирующее влияние. Фактор, который сильнее влияет на популяцию, называется ограничивающим или лимитирующим. Если фактор влияет на численность, то его называют регулирующим. Количество пищи для животных, содержание солей в почве, условия – температура, влажность. Регулирующими могут быть и биотические факторы (воздействие на популяцию хищников и паразитов). Принцип конкурентного исключения – два вида, занимающее одну нишу, не могут существовать в одном месте долго. Это принцип «Гаузе». Если два конкурирующих вида сосуществуют в стабильных условиях, то это происходит благодаря разделению ниши. Если такого разделения нет, то один из конкурирующих видов, либо вытеснен, либо истреблен. Значит, если в природе два вида конкурируют и сосуществуют, то это происходит благодаря разделению ниш. Экологическая ниша – это комплекс фактов, который требуется для существования вида. Значит, каждый вид имеет свою экологическую нишу.

Чем больше трофических уровней, тем  больше потери энергии в системе.

Питаются     питаются

Одноклеточные   ветвистоусые рачки   хищные личинки

Водоросли         комаров

 

Плотва    щука     бактерии    грибы

 

Такая последовательность питающихся друг другом организмов называется трофической  цепью, а составляющая этой цепи относится  к тропическим уровням. Первый трофический уровень – продуценты (водоросли). Второй тропический уровень – консументы первого порядка (рачки). Консументы второго порядка – личинки комаров и т.д.

В экосистеме осуществляется круговорот веществ. Продуценты запасают энергию  солнца ( часть расходуется для них самих – процессы синтеза, клеточного дыхания и т.д.). Консументы используют только часть энергии, запасенной продуцентами. Еще меньшую долю энергии получают консументы второго порядка. Продукция следующего тропического уровня обычно меньше десяти процентов от продукции предыдущего. Поэтому тропические цепи не могут быть длинными. Консументы четвертого и пятого порядков всегда имеют низкую биомассу и продукцию.

        Развитие экосистем аналогично развитию отдельного организма.

 Принцип гетеротрофной утилизации продуктов автотрофного метаболизма. Мертвое органическое вещество      –       детрит, которое

6

образуется при гибели животных и растений, перерабатывается бактериями и грибами и разлагается до простых веществ. (вода, углекислый газ и др.). Они вновь усваиваются растениями. Бактерии и грибы относят к редуцентам (разрушители). Это свойство экосистем сейчас под угрозой в связи с хозяйственной деятельностью человека, ведущее к накоплению отходов, которые природа не в состоянии утилизировать.

         Таким образом,  комплексы взаимосвязанных видов  (популяции разных видов ) обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования образуют биогеоценоз. Биогеоценоз неразрывно связан с факторами неживой природы (почва, влажность, температура), образуя вместе с ними устойчивую систему, между компонентами которой протекает круговорот веществ. Саморегуляция проявляется в том, что численность особей каждого вида поддерживается на постоянном уровне. Такую устойчивую, саморегулирующею систему, академик В.Н.Сукачев назвал биогеоценозом. Это и есть экологическая система (экосистема), развитие которой происходит по своим законам.

 

 

 

Прокомментировать следующие высказывания:

 

 

«Я, изучая… общий характер магнитных явлений, больше склоняюсь  к мысли, что передача силы представляет собой… явление, протекающее вне  магнита… Среда или пространство, его окружающее, играет столь существенную роль, как и сам магнит» 

 

М. Фарадей.

Вне всякого сомнения, чтобы  прокомментировать высказывания великого ученого необходимо ознакомится  с его биографией. Итак,  Майкл Фарадей родился в семье лондонского кузнеца Джемса Фарадея в 1791 г. С детства в Фарадее воспитывались любовь к труду, рабочая честность и гордость. Образование его было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики. Двенадцати лет его отдали в ученики к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской Жоржу Рибо. Здесь Фарадей вначале занимался разноской книг и газет, а в дальнейшем овладел в совершенстве переплетным мастерством. Эту свою профессию Фарадей никогда не забывал. Работая в мастерской переплетчика, Фарадей много и жадно читал, стремясь восполнить пробелы своего недостаточного образования. Особенно большое впечатление произвели на него статьи по электричеству в "Британской энциклопедии", "Беседы по химии" мадам Марсэ и "Письма о разных физических и философских материях" Л. Эйлера. Майкл организовал домашнюю химико-физическую лабораторию и проделал описанные в этих книгах опыты. Посетители лавки Рибо не могли не обратить внимания на молодого переплетчика, жадно читавшего книги. Однажды мистер Дэне, член Лондонского Королевского общества, с удивлением узнав, что Майкл заканчивает изучение последнего номера серьезного научного журнала "Химическое обозрение", предложил ему послушать цикл лекций своего друга, сэра Гэмфри Дэви. Это решило судьбу Фарадея. Благодаря помощи Дэнса в марте 1813 г. Майкл становится лаборантом Дэви в Королевском институте Великобритании. Вот такая характеристика, со слов Дэви, была записана в протокол заседания: "Его имя Майкл Фарадей. Его данные кажутся хорошими, его характер активный и бодрый, а образ действия разумный". Фарадей был бесконечно рад. В 1813 г. он в качестве лаборанта, помощника и слуги едет с Г. Дэви и его женой в большое путешествие по Европе. "Это утро - начало новой эпохи в моей жизни. До сих пор, насколько мне помнится, я не отъезжал от Лондона на расстояние больше двадцати миль", - писал Фарадей. Много интересного познает Фарадей во время этой поездки. В Париже он знакомится с Ампером, Гей-Люссаком и ассистирует Дэви при открытии йода, в Генуе делает опыты с электрическим скатом, во Флоренции сжигает алмаз в атмосфере кислорода, в Милане знакомится с Вольтом. Фарадей начинает бегло говорить по-французски и немецки. Он производит на ученых хорошее впечатление. Химик Дюма писал: "Мы восхищались Дэви, мы полюбили Фарадея. Летом 1815 г. путешествие окончилось. Вернувшись в Англию, Фарадей продолжает работать лаборантом в Королевском институте. Но это уже другой Фарадей, более зрелый и более самостоятельный. Как-то из Флоренции пришла посылка с образцами известняка для анализа. Дэви предложил Фарадею выполнить этот анализ. Просмотрев результаты анализа, Дэви был удовлетворен тщательностью проделанной работы и отдал материал в научный журнал для опубликования. Так появилась первая научная работа Фарадея. С 1815 по 1820 г. Фарадей занимается в основном исследованиями по химии. Перемена в тематике его научной деятельности произошла в августе 1820 г. после ознакомления с работой Эрстеда. Получив работу Эрстеда, Дэви и Фарадей на следующий день повторили его опыт. Они убедились в правоте Эрстеда и поняли, что пропасть между электричеством и магнетизмом исчезает. Но объяснить и развить опыт Эрстеда выпало на долю Ампера. Сделать что-либо новое в этой области в течение 1820-1821 гг. ни Дэви, ни Фарадею не удалось. В 1821 г. Дэви постепенно отходит от вопросов, связанных с электричеством, упорный же Фарадей записывает в своем дневнике: "Превратить магнетизм в электричество". С решением этой задачи была, по существу, связана вся дальнейшая жизнь замечательного английского физика.

В жизни Фарадея  царило триединство: наука, семья и церковь. Почти одновременно Оксфордский университет присудил ему докторскую степень, а члены общины избрали его одним из служителей-"пророков". С одинаковым успехом он читал воскресные проповеди (которые часто приходили послушать его коллеги) и научные лекции, на которые члены королевской семьи приводили своих детей. Гениальный самоучка, глубоко религиозный человек, верящий в единство "Бога живого" и живой природы, изобрел динамо-машину, впоследствии получившую название генератора постоянного тока. При этом на все деловые предложения (как тут не вспомнить его родителей!), сулившие большие деньги, Фарадей отвечал отказом и продолжал возиться с проводами и магнитами, а в последние годы жизни по высочайшему указу королевы Виктории Фарадею отводится резиденция в величественном дворце Хэмптон-Корт близ Лондона. К моменту смерти в 1867 году его научные открытия получили признание девяноста семи академий наук (в том числе 8 декабря 1830 г. его приняли в почетные члены С.-Петербургской академии наук), он также был носителем целой коллекции научных титулов, однако не счел нужным получить хотя бы одно звание. В своих лучших традициях Фарадей отказался и от дворянского титула.Фарадей дал нам лучший образец того, чем должна быть физическая мысль. Он был физик-мыслитель в самом высоком значении этого слова и в обществе ученых отличался, он был другим. Неудивительно, ведь он все свои идеи связывал с неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы. Так, всякий раз исследуя диэлектрику Фарадей вновь возвращался к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях.

Мы с вами стали свидетелями  удивительных достижений великого ученого, который верил в Бога и из данного  высказывания видно, о том, что он считал неразрывную связь (единство «Бога живого» и «живой природы»)  и взаимовлияния сил природы   о чем  он и высказался « что передача силы представляет собой… явление, протекающее вне магнита…Среда или пространство, его окружающее, играет столь существенную роль, как и сам магнит». А согласно его теории сам Бог подарил нам свет, через избранного им человека, таким и был Майкл Фарадей.

«Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит Фарадея»                                                 

                                                                                                                                                                       

 А. Г. Столетов.