Лекции по "Экологии"

19. Поняття про біогеоценоз. Відмінності між біогеоценозом та екосистемою.

Поняття біогеоценозу ввів російський учений В.М. Сукачов у 1942 р.

Біогеоценоз - сукупність на визначеній частині земної поверхні однорідних природних явищ (склад  атмосфери, гірських порід, рослинності, тваринного світу та світу мікроорганізмів), які мають свою специфіку взаємодій компонентів і визначений тип обміну речовин та енергії, перебуває в постійному русі і розвитку.

У 1935 р. англійський ботанік  А. Тенслі уперше ввів в екологію термін "екосистема".

Екосистема - це комплекс організмів і водночас середовище їхнього існування з усіма взаємозв'язками і взаємодією між ними. (бувають водні та наземні)

Екосистеми є основними  структурними одиницями, які складають  біосферу.

Відмінність полягає  в тому, що:

1) Біогеоценоз - це елементарна наземна екосистема, це один із рангів екосистеми, що відрізняється більшою однорідністю.

"біоценоз + біотоп = біогеоценоз" (елементарна екосистема)

2) Біогеоценоз - це екосистема в межах фітоценозу.

За висловлюванням Ю. Одума, ці поняття є синонімами.

Терміни "біогеоценоз" і "екосистема" можна вважати  синонімами лише тоді, коли вони розглядаються  як біоценоз, який займає певну ділянку  земної поверхні з подібними атмосферними, літосферними, гідросферними умовами  і характеризується однорідністю взаємозв'язків і взаємовпливів всередині біоценозу та зв'язків з його середовищем місцезростання, наявністю в цьому комплексі живої і неживої природи кругообігу речовини і енергії.

 

20. Складові компоненти біоценозу та основні фактори, що забезпечують його існування.

Вчені виявили деякі  закономірності в існуванні екосистем  різного рівня:

" Чим різноманітніші умови біотопів у межах екосистеми, тим більше видів містить відповідний біоценоз. Яскравим прикладом є тропічні ліси, які населяє більшість існуючих видів тварин і рослинності.

" Чим більше видів містить екосистема, тим менше особин нараховують відповідні видові популяції. Так, у системах із малою видовою розмаїтістю (пустелі, степи, тундри) деякі популяції досягають великої чисельності, а в тропічних лісах популяції, зазвичай, нечисленні.

" Чим більша розмаїтість біоценозу, тим більша екологічна стійкість екосистеми. Так, екосистема моря стійкіша за екосистему озера, тому що її населяють різноманітні види тварин, а рослинний світ її надзвичайно багатий.

" Експлуатовані людиною системи, що представлені одним видом або дуже малою їх кількістю (аґроценози з землеробськими монокультурами), нестійкі за своєю природою і не можуть самопідтримуватися. Тому людям слід бути особливо дбайливими щодо таких екосистем.

" Жодна частина екосистеми не може існувати без іншої. Якщо з якоїсь причини сталося порушення структури екосистеми, зникає група організмів, вид, то все угруповання може сильно змінитися або навіть зруйнуватися.

Складові біогеоценозу:

1)  це біотоп - однорідний за абіотичними факторами середовища простір

2) біоценоз - сукупність усіх представлених у межах даного біотопу організмів.

Функціональні складові біоценозу:

- фітоценоз- сукупність  усіх продуцентів даного біотопу  (вищі рослини, водорості, автотрофні бактерії);

-  зооценоз- сукупність  тварин-консументів; 

- мікробоценоз-сукупністьредуцентів (бактерій і грибів-сапротрофів).

Межі біогеоценозу визначаються межами фітоценозу, тобто контуру  однорідної рослинності, оскільки саме рослини-продуценти є першою ланкою трофічних ланцюгів біогеоценозу. Біогеоценози водойм називають також біогідроценозами.

 

 

21. Етапи використання речовин та енергії в екосистемах. Втрати енергії на трофічних рівнях.

Відомо, що жодний живий організм не може продукувати енергію - він отримує її тільки ззовні.

Перший етап використання й перетворення енергії живими організмами - це фотосинтез. Саме завдяки процесу фотосинтезу  енергія, отримана у вигляді сонячної радіації, перетворюється в енергію  хімічних зв'язків, що і створює речовини, необхідні рослинним організмам для росту. Отже, збільшується маса організму, і ця біомаса рослинних тканин називається первинною продукцією.

Усі живі організми нашої планети  підтримують свою життєдіяльність  тільки завдяки енергії Сонця. Але  не варто уявляти, ніби дана енергія космічного походження є загальнодоступною і широко використовується живими організмами.

Лише 40 - 50% енергії Сонця потрапляє  у біосферу і лише 0,1% цієї енергії  зв'язується в процесі фотосинтезу.

Нагромаджена в результаті фотосинтезу біомаса рослин (первинна продукція) - це резерв, з якого частина використовується як їжа організмами-гетеротрофами (консументами І порядку). Первинними консументами є тварини, що споживають органічну речовину, з'їдаючи рослини. Так починається загальний ланцюг харчування, або харчовий (трофічний) ланцюг. Хижаки споживають тканини рослиноїдних тварин і більш слабких м'ясоїдних. За рахунок інших організмів існують паразити, їх використовують надпаразити, харчовий ланцюг закінчується мікроорганізмами - редуцентами, що повертають органічну речовину в мінеральний стан. Енергетичний потік, проходячи трофічним ланцюгом, поступово вичерпується. Засвоєна з їжі частина енергії в основному витрачається на дихання, здійснення роботи й підтримання життєдіяльності, певна частина йде на ріст і розмноження. Деяка частка енергії губиться при відмиранні організмів, а також не засвоюється з їжі.

1) На першому трофічному рівні перебувають організми-автотрофи. Організми-автотрофи спроможні утворювати органічну речовину свого тіла з неорганічних речовин - двоокису вуглецю і води - за допомогою процесів фотосинтезу і хемосинтезу. Фотосинтез здійснюють фотоавтотрофи - усі зелені рослини і мікроорганізми. Хемосинтез спостерігається в деяких хемоавтотрофних бактерій, що використовують як джерело енергії окислювання водню, сірки, сірководню, аміаку, заліза. Хемоавтотрофи в природних екосистемах відіграють відносно незначну роль, за винятком надзвичайно важливих нітрифікуючих бактерій.

2) На другому Трофічному рівні перебувають організми - гетеротрофи. Вони споживають готову органічну речовину інших організмів і продуктів їхньої життєдіяльності. Це всі тварини, гриби й велика частина бактерій. У деяких груп бактерій, так само, як і в більшості рослин-паразитів і комахоїдних рослин, поєднуються автотрофні і гетеротрофні функції. На відміну від автотрофів-продуцентів, гетеротрофи виступають як споживачі і деструктори (руйнівники) органічних речовин. Залежно від джерел харчування й участі в деструкції, вони також поділяються на декілька категорій: консументів, детритофагів і реду-центів.

3) Редуценти, до яких належать бактерії й нижчі гриби, завершують деструктивну роботу консументів і сапрофагів, доводячи розкладання органіки до її цілковитої мінералізації. Частково мінералізація органічних речовин відбувається у всіх живих організмів. Так, у процесі дихання виділяється С02, з організму виводяться вода, мінеральні солі, аміак і т.д. Але справжніми редуцентами, які завершують цикл руйнації органічних речовин, вважаються лише такі організми, що виділяють у зовнішнє середовище тільки неорганічні речовини, готові до залучення в новий цикл.

 

22. Екологічна ефективність екосистем. Поняття про продуктивність, біомасу.

Важливою характеристикою екосистеми є її продуктивність. Це той показник біомаси, що утворюється в тому чи іншому типі екосистеми.

Біомаса - це вся органічна речовина екосистеми, тобто це виражена в  одиницях маси чи енергії кількість  живої речовини організмів окремих  живих компонентів, які припадають на одиницю площі чи об'єму.

Біомаса утворюється упродовж тривалого часу. Всі організми, що населяють екосистему, будуть творити біомасу.

Продуктивність екосистем - це кількість  органічної речовини в одиницях маси або енергії, що виробляються з одиниці  поверхні за одиницю часу.

Види продуктивності:

1) Первинна - біомаса та енергія, вироблені автотрофною рослинністю (продуцентами) на одиниці площі за одиницю часу.Визначення параметрів первинної продукції є важливою передумовою для оптимізації природокористування.

2) Вторинна - кількість органічної речовини виготовлена всіма гетеротрофами (консументи і редуценти).

Найбільш продуктивними є екваторіальні, мангрові та тропічні ліси, а також  коралові рифи. Тому що там багато тепла  і вологи.

Фактори, що лімітують  первинну продукцію на суходолі:

- Кількість сонячної енергії

- Кількість СО2 і Н2О

- Мінеральні речовини

- Низький рівень фотосинтетичних процесів.

Енергія у досить великій  кількості не використовується в  екосистемах і залежить від 3 гол. ступенів у потоці енергії:

1) Експлуатації

Ефективність експлуатації = проковтування їжі / продукція жертви

2) Асиміляції

Ефективність асиміляції = асиміляція (уловлювання і концентрація речовин) / проковтування їжі

3) Чистої продукції

Ефективність чистої продукції = продукція (ріст і розмноження) / асиміляція

 

23. Екологічна піраміда. Піраміда мас, чисел та енергії.

Кількісні оцінки трофічних  рівнів екосистеми вказують на наявність  певної закономірності у відповідності  нижчого трофічного рівня відносно іншого.

Ч. Елтон встановив: кількість  особин, що утворюють послідовний ланцюг, невпинно зменшується.

Трофічний рівень Чисельність

Екз/м2

Біомаса

Кг/м2 Продуктивність

Кг/м2/рік

Продуцент

Консумент

редуцент 7,2 * 1010

100

15 17,7

0,66

0,1 280

0,2

0,1

Отже, існує три типи пірамід:

? піраміда чисел ? відображає  чисельність окремих організмів  на кожному рівні;

? піраміда біомаси  ? кількість органічної речовини, синтезованої на кожному з рівнів;

? піраміда енергії  ? величина потоку енергії.

 Піраміда чисел  - відображає кількісний розподіл  окремих організмів на трофічних  рівнях. Особливістю такої піраміди  є зменшення чисельності організмів  при русі від продуентов до консументами. Ця закономірність пояснюється тим, що в будь-якій екосистемі дрібні тварини чисельно перевершують великих і розмножуються швидше. Для будь-якого хижака існує нижня і верхня межа розмірів їх жертв, кожному хижакові служать їжею жертви певного розміру. Друга піраміда - обернена, так як в лісових пасовищних харчових ланцюгах продуценти - це дерева, а первинні консументи - це комахи. Рівень первинних консументів за чисельністю перевищує рівень продуцентів.

Піраміда біомаси - показує співвідношення загальної кількості живої речовини на трофічних рівнях харчового ланцюга. Може мати два графічних різновиди - правильна і обернена. Спостерігаються наступні закономірності: піраміди з широкою основою і вузькою вершиною характерні для наземних і мілководних екосистем, в яких продуценти мають великі розміри і живуть порівняно довго. У молодих екосистем вершина піраміди вужча, ніж у зрілих; піраміда може бути оберненою у відкритих і глибоких водах, де продуценти невеликі за розміром і живуть недовго. Піраміда біомаси відрізняється проміжним характером в озерах і ставках, так як тут рівноцінні ролі продуцентів, тобто великих прикріплених рослин і мікроскопічних водоростей.

Піраміда енергії - величина потоку енергії, що проходить через різні трофічні рівні. На відміну від піраміди чисел або біомаси, що характеризують статику екосистеми, піраміда енергії характеризує динаміку проходження маси їжі через харчовий ланцюг. На її форму не впливають ні розміри особин, ні інтенсивність їх метаболізму. Крім того, піраміда чисел перебільшує роль дрібних організмів, піраміда біомаси перебільшує роль великих. Тому піраміда енергії є найбільш універсальною характеристикою для порівняння потоку енергії, що проходить через різні рівні, а також для порівняння однієї екосистеми з іншою.

Ефективність ланцюга  живлення незначно змінюється при переході від одного рівня до іншого, значення його близьке 10%. На кожному ступені  піраміди втрачається велика кількість  енергії. Рослини вловлюють дуже невелику частину радіації, і дуже мала часточка нової тканини, виробленої на певному ступені, є джерелом живлення наступного рівня організмів. Внаслідок колосальної втрати енергії на кожному рівні, піраміда чисел рідко складається більш як з п'яти трофічних рівнів. Найефективніший кінцевий ступінь піраміди - найбільші тварини. Вартість цієї ефективності - дуже значна втрата енергії.

Піраміда Елтона:

 

 

 

 

 

Закон Ліндермана (піраміди енергії): З одного трофічного рівня  екологічної піраміди на інший переходить в середньому не більше 10% енергії. Тобто к-сть енергії, що передається зменшується в 10 разів.

24. Загальні принципи стійкості екосистем.

У 1884 р. французький хімік  А. ЛеШательє сформулював принцип (принципЛеШательє), відповідно до якого  будь-які зовнішні впливи, що виводять систему зі стану рівноваги, викликають у цій системі процеси, що намагаються послабити зовнішній вплив і повернути систему в початковий рівноважний стан.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для оцінки стійкості  екосистем і біосфери щодо природних  катастроф та антропогенних порушень доцільно застосувати поняття про екологічний резерв екосистеми, введене Ю.А. Ізраелем (1989);

Екологічний резерв екосистеми - це різниця між гранично допустимим відхиленням та фактичним станом екосистеми. Вона вказує на розміри  тієї буферної зони, в межах якої можливі зміни, що не руйнують екосистему. На жаль, методів оцінки екологічного резерву екосистем різного типу поки що немає. У багатьох випадках екологічний резерв екосистем оцінюється інтуїтивно, "на око".

 

25. Поняття про біосферу. Вчення В. І. Вернадського про біосферу.

Вперше термін біосфера використав австрійський вчений - геолог Е. Зюсс у 1875р.

Біосфера - це частина  атмосфери, гідросфери, літосфери; оболонка яка включає частини цих сфер. Це сфера життя або область  існування живих організмів на Землі.