Лекция по общей биологии

Лекция № 23 Тема: Сообщества. Экосистемы. Поток энергии и цепи питания. Базовые понятия и термины: сообщества, экосистемы, поток энергии и цепи питания,  биомасса,   продукция,   трофическая   сеть,  биоценоз,   круговорот Кислорода, кругооборот азота, природные условия План: 1. Сообщества. Экосистема, их структура и свойства. 2. Биомасса. Поток энергии. 3. Круговорот веществ и поток энергии. 4. Экологическая пирамида биомассы. Содержание: 1.   Сообщества. Экосистема, их структура и свойства. Сообщество – любая группа организмов различных видов, обитающих на одной площади и взаимодействующих друг с другом посредством трофических или пространственных связей. Живые   организмы   в   природе   объединены   в   сообщества, приспособленные   к   определенным   условиям   существования.   Такое сообщество   взаимосвязанных   живых   организмов,   называют биоценозом,  а совокупность   всех   абиотических   факторов,   определяющих   условия   их существования биотоп образуют биогеоценоз. называют биотопом.   Биоценоз     и   Экосистемы, их структура и свойства.  Экосистема­совокупность   организмов   разных   видов   и   среды   их обитания, связанные обменом вещества, энергии и информации. Домашний аквариум,   озеро   на   окраине   села,   степной   балка,   лесной   массив,   кабина космического   корабля,   целая   наша   планета   все   это   экосистемы   единой биосферы.   Понятие   «экосистема»   предложил   в   1935   году   А.Тесли. Функционирования   экосистемы   обеспечивает   «внутренний»   биологический кругооборот   веществ   между   абиотическими   и   биотическими   частями. Экосистемы   являются   открытыми   биосистемами,   и   поэтому   для существования   во   времени   нужны   «внешние»   потоки   энергии,   вещества   и информации в составе общего геологического круговорота. Близкими к экосистемам является биогеоценозы.  Биогеоценоз­это   определенная   территория   с   однородными условиями   существования,   населенная   взаимосвязанными   популяциями разных   видов,   объединенных   между   собой   круг   воротом   веществ   и потоком энергии.  Понятие о биогеоценозе введено В.М.Сукачовым (1940). Основой   подавляющего   большинства   биогеоценозов   являются   которые   образуют   растительные фотосинтезирующие   организмы, группировки. Биогеоценоз, в отличие от экосистемы, является конкретным, территориальным понятием, потому что он занимает ограниченный участок с однородными условиями существования и с соответствующим фитоценозом (растительным группировкам). В экосистеме выделяют биотические и абиотические части.  2.   Биомасса. Поток энергии. Биомасса   (биоматерия) —   совокупная   масса   растительных   и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения. Все живые организмы экосистемы по способу получения энергии делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы  способны   образовывать   органическое   вещество, используя   неорганический   источник   углерода   и   энергию   света (фотоавтотрофы) или энергию  окисления неорганических  веществ (хемоавтотрофы). Гетеротрофы  используют   энергию   окисления   органических веществ и используют органические источники углерода. Биотическая   часть   экосистемы   является   совокупностью взаимосвязанных   живых   организмов,   образующих   биоценоз.  Биоценоз­это группировка   взаимосвязанных   между   собой   популяций   организмов   разных видов,   населяющих   участок   местности   с   однородными   условиями существования. Это понятие предложил немецкий гидробиолог К.Мьобиус. Основой   биоценозов   является  фитоценоз  (растительные   группировки),   с которыми   связаны   зооценозы   (группировки   животных)   и   микробиоценозы (группировка микроорганизмов).  Биоценозы существуют на  определенном участке среды, которая называется биотопом.  Биотическую   часть   экосистемы  составляют   различные экологические(функциональные) группы организмов, объединенные между собой   пространственными   и   трофическими   связями   ­  продуценты, консументы и редуценты. Основу   составляют автотрофные организмы — продуценты   (образователи) органического   вещества. В процессе   фотосинтеза   происходит   образование   органического   вещества,   за биоценоза счет которого питаются гетеротрофы. Продуценты  ­  популяции   автотрофных   организмов,   способных синтезировать   органические   вещества   из   неорганических.   Это   зеленые растения,   цианобактерии,   фотосинтезирующие   и   хемосинтезирующие бактерии.   В   водных   экосистемах   основными   продуцентами   являются водоросли, а на суше – семена растения. Гетеротрофные   две группы: консументы — потребители и редуценты — разрушители органич еского вещества.  организмы делятся на     Консументы 1­го порядка — растительноядные (фитофаги, паразиты растений); Консументы 2 и последующих порядков  (гетеротрофные организмы, питающиеся растительноядными формами (хищники), паразиты животных, а также сапрофаги). Редуценты разлагают мёртвое органическое вещество до углекислого газа   и   минеральных   веществ,  которые   затем   используются   продуцентами. Редуценты   замыкают   круговорот   биогенных   элементов   в   природе.  Это гетеротрофные   сапрофитные   организмы   –   бактерии   и   грибы,   выделяющие ферменты и органические остатки и поглощающие продукты их расщепления. В  процессах   разложения   органических   соединений   участвуют   детритофаги (потребляют   измельченную   органику,   например,   дождевые   черви,   личинки мух),   сапрофаги   поедают   помет   животных   и   человека,   например,   жуки­ навозники),   некрофаги   (поедают   трупы   животных,   например,   жуки­ навозники). В   состав  абиотической   части  биогеоценоза   входят   следующие компоненты: ­Неорганические   вещества­соединения,   которые   включаются   в   биогенную миграцию веществ (например, СО2, О2, азот, вода, сероводород и др.); ­  Органические   вещества­соединения,   которые   связывают   между   собой абиотическую и биотическую части экосистемы;   ­Микроклимат,   или   климатический   режим­совокупность   условий, определяющих   существование   организмов   (освещенность,   температурный режим, влажность, рельеф местности и т.п.). Основными   свойствами  экосистем   являются:   целостность, самовоспроизведение, устойчивость, саморегуляция и др... Цепь   питания  –   перенос   энергии   от   его   источника   через   ряд организмов. Уровень питания – трофический уровень. Группа   видов­продуцентов   образует   уровень   первичной   продукции. Первичные   продуценты   –   основа   трофической   структуры   и   всего существования сообщества в биоценозе. Составлен этот уровень растениями и фотоавтотрофными   прокариотами.   Накопленная   в   виде   биомассы организмов­автотрофов   чистая   первичная   продукция   служит   источником питания для представителей следующих трофических уровней. Потребители первичной   продукции   –   консументы   –   образуют   несколько   (обычно   3­4) трофических уровней. Живые организмы биоценоза связаны в цепи питания. Простой пример пищевой цепи: растительность — насекомое, питающееся растительностью — хищное   насекомое   —   насекомоядная   птица   —   хищная   птица.   Но растительноядное насекомое питается на нескольких видах растений, хищное насекомое ­ многими видами насекомых, насекомоядная и хищная птицы — многими видами животных. Таким образом, цепи питания образуют пищевые сети, сети питания. Чем   сложнее   сети   питания,   чем   больше   видов   в   экосистеме,   тем устойчивее данная экосистема. 3.Круговорот веществ и поток энергии. В   любом   биогеоценозе   происходит круговорот   веществ.  Энергия аккумулируется на уровне продуцентов, проходит через консументы и редуценты,   входит   в   состав   органических   веществ,   почвы,   и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений. В   каждом   звене   пищевой   цепи   при   дыхании   углекислый   газ возвращается   в   атмосферу,   непереваренные   остатки   пищи   и   погибшие организмы   разлагаются   с   помощью   редуцентов,   которые   завершают круговорот химических элементов. Пищевые   цепи   разделяют   на   два   типа. Цепь   выедания (пастбищная) начинается   с   продуцентов,   идет   к   консументам   1­го,  2­го   и заканчивается консументами 3­го порядка. Цепь   разложения   (детритная)   цепь начинается   от   растительных   и животных остатков, экскрементов животных и идет к мелким животным и микроорганизмам (детритофагам), которые ими питаются. Соединения цепей образую пищевую сеть экосистемы. 4.Экологическая пирамида биомассы. Когда   растительность   поедается   консументами,   большая   часть съеденного   органического   вещества   растений   окисляется   и   служит источником   энергии,   меньшая   часть   является   строительным   материалом   и идет на прирост или восстановление биомассы. В   среднем   считается,   что   лишь   порядка   10%   биомассы   и связанной в ней энергии переходит с каждого трофического уровня на следующий,   т.е.   продукция   организмов   каждого   последующего трофического   уровня   всегда   меньше   в   среднем   в   10   раз   продукции предыдущего уровня. Так,   например,   в   среднем   из   1000   кг   растений   образуется   100   кг биомассы растительноядных животных (консументов первого порядка). Плотоядные   животные   (консументы   второго   порядка),   поедающие растительноядных, могут синтезировать из этого количества 10 кг своей биомассы, а хищники (консументы третьего порядка), которые питаются плотоядными животными, синтезируют только 1 кг своей биомассы. Таким образом, суммарная биомасса, заключенная в ней энергия, а также   численность   особей   прогрессивно   уменьшаются   по   мере восхождения по трофическим уровням. Эта   закономерность   получила   название правила   экологической пирамиды. (Ч.Элтоном (1927 г.) ) Экологическая   пирамида  –   представляет   собой   график   состояния каждого трофического уровня. Показатели: численность на единицу площади; биомасса на единицу площади, энергия. Пирамиды, построенные на основе изменений   численности   и   биомассы   могут   иметь   перевернутый   вид,   а   на основе изменений энергии – никогда. В классической пирамиде в нижних основаниях пирамиды оказываются продуценты, а вверху – консументы. Пирамиды энергетических потоков и расхода энергии свидетельствуют о том, что чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому, обычно, трофических звеньев в одной цепи – не более 3–5. Экологическая пирамида выражает трофическую структуру экосистем в геометрической форме. Правило экологической пирамиды универсально и объективно отражает круговорот веществ и поток энергии в биосфере. В масштабе всей биосферы это правило никогда не нарушается. Чтобы оценить значение того или иного вида для круговорота веществ в данном   биогеоценозе   необходимо   знать   не   только   его   биомассу,   но   и относительную скорость ее создания, т.е. биологическую продуктивность. Таким образом, Биологическая продуктивность ­ это скорость создания определенного   количества   биомассы   растений,   животных   и микроорганизмов, входящих в состав биогеоценоза. Ключевое слово в понятии продуктивность – скорость. Однако вместо термина «продуктивность» часто используется термин «продукция», но при этом все равно учитывается фактор времени. Биологическую продуктивность нельзя смешивать с биомассой. Биомасса ­ это выраженное в единицах массы (веса) или энергии количество живого вещества тех или иных организмов, обитающих на исследуемой площади или в исследуемом объеме. Например: ­планктонные   водоросли   за   год   на   единицу   площади   синтезируют столько же органического вещества, сколько и высокопродуктивные леса, однако биомасса последних в сотни тысяч раз больше; ­популяции   мелких   млекопитающих   по   сравнению   с   крупными обладают большей скоростью роста и размножения и поэтому имеют более высокую продуктивность при равной биомассе. Различают первичную   и   вторичную   продуктивность   экосистем, промежуточную и конечную продукцию. Продуктивность различных экосистем неодинакова и зависит от ряда экологических факторов, в первую очередь, климатических (тепло, влага и др). Биологическая   продуктивность   экосистемы — производительность экосистемы, измеряемая за единицу времени на единицу площади. Самая высокая   продуктивность   у   коралловых   рифов,   тропических   лесов, заболоченных местностей. Самая низкая продуктивность в тундре, горных степях, большей части морских экосистем. Взаимосвязи между популяциями в экосистемах. Состав и структура группировок, их устойчивость и изменение зависит от   сложных   взаимосвязей   между   популяциями   разных   видов.   Выделяют следующие типы связей между отдельными популяциями разных видов в экосистемах: ­Прямые  ­ непосредственно  связывают  две популяции (хищник  и  добыча, паразит и хозяин); ­Косвенные  ­   популяции   одного   вида   влияют   на   популяцию   другого опосредованно, через популяции третьего (хищники, поедая добычу, влияют на популяции растений); ­Трофические ­ это связи питания (хищник­добыча); ­Топические ­ это пространственные связи (орхидеи на стволах деревьев); ­Антибиотические   взаимосвязи  (хищничество,   конкуренция,   выедание)   ­ каждая   из   взаимодействующих   популяций   разных   видов   испытывает негативное влияние другой; ­Нейтральные взаимосвязи ­ существование на общей территории популяции разных видов не влечет для каждой из них никаких последствий (хищники разных видов); ­Симбиотические взаимосвязи (мутуализм, комменсализм, паразитизм) ­ все формы сосуществования организмов разных видов (клубеньковые бактерии и бобовые растения). Саморегуляция экосистем. Агроценозы. Саморегуляция  –  способность   к   восстановлению   внутреннего равновесия после какого­либо природного или антропогенного воздействия. Колебания   количественных   и   качественных   показателей,  характеризующих экосистемы,   происходит   вокруг   определенных   средних   (оптимальных) значений. Стабильность экосистемы предполагает постоянство  (гомеостаз) популяций   каждого   ее   вида.   Регулирующими   факторами,   которые сглаживают   колебания   численности   отдельных   видов,   является внутривидовые   и   межвидовые   связи.   Состояние   равновесия   популяции определяется   соотношением  лимитирующих   факторов,   обусловливающие сопротивление   среды,   с   одной   стороны,   и   биотический   потенциал размножения ­ с другой. Экосистема   только   стремится   к   устойчивости,   но   никогда   ее   не достигает: во­первых, меняются внешние условия, во­вторых, виды изменяют среды обитания.  Смена   биогеоценозов  –   длительный   процесс   –   главное   отличие   от сезонных колебаний популяционных показателей. Экологическая   сукцессия  –   в   определенном   местообитании происходит   закономерная   смена   популяций   различных   видов   в   строго определенной последовательности. Агроценозы  –   искусственные   биогеоценозы,   создаваемые   человеком для своих целей путем посева или посадки и дальнейшего культивирования возделываемых   растений,   а   также   использования   территорий   для интенсивного выпаса домашних животных. Главная   особенность  –  явно   преобладает   один   или   очень   небольшое количество видов растений. Действие   искусственного   отбора:  Неустойчив,   если   его   не поддерживать он быстро разрушится. Особенности существования: ­низкое видовое разнообразие; ­обычно существует 1–2 сезона; ­организмы,   обитающие   в   пределах   агроценоза   и   не   относящиеся   к объектам   хозяйственной   деятельности   человека,   испытывают   на   себе постоянное   воздействие   антропогенных   факторов   и   вынуждены приспосабливаться к ним. Контроль знаний и умений: Дать ответы на вопросы: 1. Что такое цепь питания? 2. Как   осуществляется   переход   энергии   через   трофический   уровень? Приведите примеры? 3. Почему агроценоз не стойкая система? Аргументируйте свой ответ. 4. Какая   часть   солнечной   энергии   запасается   продуцентами   дубравы   в форме химических связей образованного органического вещества? Домашнее задание: изучить соответствующую тему учебника, Л.2. стр. 196­ 205, пересказ конспекта лекции; подготовить сообщения по теме лекции.