Презентация к лециям по экологии

Все мы дети пpиpоды, ее малые части, От ее основанья мы все поднялись, Без живительных ветpов не ведать нам счастья И без солнечных циклов закончится жизнь. Hас влекут бесконечно таежные дали, Облака над гоpами, течения pек, В каждой ветке цветка видны наши печали, В каждой клетке живого сокpыт человек. Ты подумай об этом в свободное вpемя И о том, что ты сделал за множеством слов? Hа пpиpоду взвалив непосильное бpемя, Разpушаешь, что создано ходом веков. Разpывая пpиpодные сложные связи, Ты не свой pазоpяешь, Божественный дом И тем самым, быть может не вдpуг, и не сpазу, Ты лишаешь себя пpебывания в нем.

Мы забыли, что:

Устойчивое развитие - концептуальное дискуссионное понятие, отражающее процесс изменения общественного сознания, ориентации научно-технического и экономического развития в сторону укрепления нынешнего и будущего гармоничного баланса между человеческими потребностями и исчерпаемыми природными ресурсами.

До середины XIX в. в центре внимания – морфология организма
Основное содержание биологии – разнообразие форм живых организмов

Васко
да Гама
(1469-1524)

Фернандо
Магеллан
(1480-1521)

Христофор
Колумб
(1451-1506)

Роберт Бойль
(1627–1691)

Джон Рей
(1627–1705)

Антони ван Левенгук
(1632–1723)

Изучение
«пищевых цепей»
и регулирования
численности
популяций

Влияние низкого
атмосферного
давления на различных
животных

Первая
естественная
система растений

Карл Линней
(1707-1778)

Систематика животных и растений
Цель – расшифровка плана Божественного творения
Понятие вида (вид = элементарный акт творения)
Бинарные латинские названия
Иерархический принцип в систематике (таксоны)

Крашенинников
Степан Петрович
(1713-1755)

Лепехин
Иван Иванович
(1740 – 1802)

Паллас
Петр Симон
(1741-1811)

Описания растительности и животного мира труднодоступных районов (Сибирь, Арктика)
Первые сведения об образе жизни различных видов
Первые идеи о зависимости организмов от среды обитания

Я буду собирать растения и окаменелости, производить прекрасными инструментами астрономические наблюдения, я буду химически анализировать состав воздуха… Но все это – не главная цель моего путешествия. На взаимодействие сил, на влияние мертвой природы на животный и растительный мир, на эту гармонию должны быть неизменно направлены мои глаза…
Моим безумным намерением является представить в одном произведении весь материальный мир, все, что мы сегодня знаем о явлениях в небесном мире и в жизни земли, начиная от туманностей и до географии мхов на гранитных скалах…
А. Гумбольдт, 1799

Александр фон Гумбольдт
(1769-1859)

Карл Францевич Рулье
(1814 – 1858)

Профессор Московского университета
Первые экологические работы в России

Николай Алексеевич Северцов
(1827-1885)

«Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии» (1855)

Ученик К.Ф.Рулье, зоолог и путешественник, один из основоположников экологии
в России

Чарлз Роберт Дарвин
(1809—1882)

Жан Батист Ламарк
(1744–1829)

Первая попытка
создания стройной
и целостной теории
эволюции живого мира.

Основы
современной
эволюционной
теории (дарвинизм).

Алфред Рассел Уоллес
(1823 – 1913)

Создал одновременно
с Ч. Дарвином теорию
естественного отбора.
Один из основателей
зоогеографии.

«Вклад в теорию
естественного отбора»
(1870)

«Философия зоологии»
(1809)

«Происхождение видов»
(1859)

ЭРНСТ ГЕНРИХ ГЕККЕЛЬ
(Haeckel, Ernst Heinrich)
(1834–1919)

«Экология - общая наука об отношениях организмов к окружающей среде, куда относятся все условия их существования»

Основные направления исследований:

Описание образа жизни разных видов
Изучение жизни в экстремальных условиях (Арктика, пустыни)
Закономерности влияния факторов среды
Связь морфологии организмов и среды обитания
Периодические явления в жизни организмов (сезонность, суточные ритмы)

МиддендорфАлександр Федорович
(1815-1894)

Русский естествоиспытатель, путешественник, исследователь Сибири.
Изучение приспособлений растений и животных к жизни в суровых условиях.
Один из основоположников зоогеографии.

Условия жизненных явлений в Сибири гораздо проще, главные друг друга обуславливающие причины, от которых они зависят, проявляются там гораздо резче, так что самый недостаток в разнообразии форм способствует лучшему пониманию общих законов жизни.

«О преимуществах исследований природы в суровом климате», 1869

Арктика для эколога – все равно, что атом водорода для физика.
акад. Ю. И. Чернов, 1998

Е. Варминг (Дания)
«Ойкологическая география растений», 1895

К одной и той же жизненной форме причисляются все виды, обладающие сходными приспособлениями и внешностью, причем не обращается внимание на систематическое положение этих видов. Виды растений – это те единицы, которыми занимается систематическая ботаника, жизненные формы – это единицы экологической географии растений.
Е. Варминг, 1896

Отношение объема к поверхности (= теплопродукции к теплоотдаче):

Правило Бергмана

В пределах вида или достаточно однородной группы близких видов теплокровные животные с более крупными размерами тела встречаются в более холодных областях.
(Подтверждается в 50% случаев у млекопитающих и в 75–90% случаев у птиц.)

Песец

Обыкновенная лисица

Фенек

Заяц-беляк

Толай

Американский заяц

Таким образом ‑ в середине XIX в. возникло особое направление - экология
Вначале - на уровне изучения отдельных организмов.

1. Общие закономерности влияния факторов среды на организмы. Адаптации.

2. Учение о жизненных формах.
Конвергенции.
Экологические классификации.

3. Экоморфология.

4. Экопериодизм. Биоритмы.

Карл Мёбиус
(1825-1908)

Объект экологии ‑ сообщества организмов!
(а не отдельный организм)

Глобальная (всеобщая) экология рассматривает особенности взаимодействия природы и общества в рамках всего Земного шара, в том числе глобальные экологические проблемы (потепление климата планеты, сокращение площади лесов, опустынивание, загрязнение среды обитания живых организмов и т. п.).
Классическая (биологическая) экология исследует связи между живыми системами (организмами, популяциями, сообществами) и условиями их обитания, как в настоящее время, так и в прошлом (палеоэкология). Различные разделы биологической экологии изучают разные живые системы: аутэкология - экологию организмов, популяционная экология - экологию популяций, синэкология - экологию сообществ.
Прикладная экология определяет нормы (пределы) использования природных богатств, рассчитывает допустимые нагрузки на окружающую природную среду для поддержания ее в пригодном для жизнедеятельности природных систем состоянии.
Социальная экология объясняет и прогнозирует основные направления развития взаимодействия общества с природной средой.

Экология организмов
(аутэкология)

Экология сообществ
(синэкология)

- Экоморфология (жизненные формы)
- Факторная экология (влияние факторов)
- Биоритмы

- Структура и границы биоценозов
- Биотические взаимодействия
- Сукцессии

Биогеоценоз — это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии.
В.Н.Сукачев

Биотоп - определенное сочетание абитических факторов:
температуры, влажности, количества приходящейся солнечной радиации, концентрация и качество минеральных элементов питания

Каждый биотоп составляет физическую основу биоценоза.

Совокупность биоценоза и биотопа называют биогеоценозом.

Владимир Николаевич
Сукачев
(1880-1967)

Биогеоценоз можно определить как участок земной поверхности, где на известном протяжении биоценоз и отвечающие ему части атмосферы, литосферы, гидросферы и педосферы остаются однородными и в совокупности образующими единый внутренне взаимообусловленный комплекс.
В. Н. Сукачев, 1942

Схема биогеоценоза (из работы В. Н. Сукачева)

Экосистема, или экологическая система — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

Биотоп

Биоценоз

Атмосфера

Литосфера

Гидросфера

Микроорганизмы

Растения

Животные

Элементарная единица в экологии - организм (особь)


Совокупность особей - элементарная подсистема — популяция



Совокупность популяций, выполняющих сходную функциональную роль в экосистеме — биоценоз


Организмы биоценоза в комплексе со средой обитания – экосистема



Закономерные сочетания экосистем в пределах определенной территории или акватории
ландшафт

В основном – изучение растительных сообществ (фитоценозов)

Фитосоциология

Геоботаника

… В основе растительного сообщества заложен принцип, имеющий в виду выгоду целого, а не составляющих его элементов.

И. К. Пачоский «О растительном сообществе», 1921

Границы между биоценозами менее определенны, чем границы между организмами. Дискретность или континуум?

Расстояние

Обилие видов

Дискретность
(реальные границы)

Ценотический континуум

Расстояние

Обилие видов

Дискретность
(реальные границы)

Ценотический континуум

Определение границ биоценозов – необходимо для классификации и картографирования растительности

Геоботанические карты

Мозаичность травянистого покрова.

Экологическая структура биоценоза - набор и соотношение жизненных форм

Тундровый луг

Пойменный луг

Альпийский луг

В одинаковых условиях формируются биоценозы, сходные по внешнему облику за счет преобладания одинаковых жизненных форм. При этом таксономический состав биоценозов может быть различным.

Взаимодействия чрезвычайно разнообразны, но поддаются классификации:

Хищничество

Комменсализм

Конкуренция

Мутуализм

Фредерик Клементс
(1874-1945)

Теория сукцессий

В пределах одного региона результатом последовательных стадий саморазвития растительного сообщества является одна и та же финальная, или климаксовая стадия, начинаются ли они от водной поверхности или твердой скалы…

Ф.Клементс «О сукцессиирастительных сообществ», 1929

Концепция климакса

Создание классификации биоценозов (геоботанические карты)
Закономерности структуры биоценозов (ярусность, мозаичность)
Классификация биотических связей
Концепция экологической ниши
Концепция устойчивости и саморегуляции биоценозов
Закономерности саморазвития биоценозов

Экосистема - любая совокупность организмов и неорганических компонентов, между которыми происходит обмен веществом, энергией, информацией (круговорот веществ)
Безразмерное понятие (грядка в теплице, луг, лес, космический корабль, биосфера в целом)
Биогеоценоз ‑ понятие, близкое по смыслу к понятию «экосистема», но относящееся к конкретной территории, занятой определенным фитоценозом.

Принцип эмерджентности. При переходе на каждый новый уровень у появившихся элементов возникают новые свойства, которые не являются простой суммой свойств предыдущих уровней.

Блок-схема адаптивной реакции

Блок-схема редукционного описания системы

Эмерджентность (от англ. еmergence – неожиданно возникающий) системы – степень несводимости свойств системы к свойствам составляющих ее элементов. Свойства системы зависят от особенностей взаимодействия между ними (например, явление синергизма).

Принцип необходимого разнообразия элементов заключается в том, что любая система не может состоять из абсолютно одинаковых элементов, более того, разнообразие элементов, ее составляющих, является необходимым условием функционирования. Нижний предел равен двум, верхний - стремится к бесконечности.
Принцип неравновесности сводится к тому, что системы, функционирующие с участием живых организмов, являются открытыми, поэтому для них характерно поступление и отток энергии и вещества, что невозможно осуществить в условиях равновесного состояния. Следовательно, любая экосистема представляет собой открытую, динамическую, неравновесную систему. 
Устойчивость динамической системы и ее способность к самосохранениюзависит от преобладания внутренних взаимодействий над внешними. 
Принцип эволюции– возникновение, существование и развитие всех экосистем обусловлено эволюцией. Динамические самоподдерживающиеся системы эволюционируют в сторону усложнения и возникновения системной иерархии (образование подсистем). Эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного потока энергии, проходящей через нее.

Продуценты (автотрофы) - растения которые используя энергию солнца, создают массу органического вещества (биомассу), являются основой существования жизни вообще и биоценоза в частности

Консументы (гетеротрофы) питаются другими организмами или частицами органического вещества

Редуценты - это группа организмов, разлагающих отходы жизнедеятельности и отмершие организмы до минеральных веществ.

Автономныевынос за пределы мал

Зависящие от поступлениявынос за пределы велик

Экосистема представляет собой систему сообществ живых организмов и среды их обитания, которые функционируют совместноЛюбая экосистема является открытой системой, т.е. она должна получать и отдавать энергию

1930-е гг. – формирование нового направления –экологии популяций

Экология нашествий животных и растений, 1958

Популяция – группа особей одного вида, взаимодействующих между собой и населяющих общую территорию.

Те есть организмы одного вида объединены в целостные группы – популяции. На уровне этих групп действуют особые законы.

Чарльз Элтон
(1900-1991)

Вид – совокупность популяций. Нарушение связи между популяциями приводит к образованию новых видов

Ареалы подвидов белки

Случайное

Равномерное

Групповое

Разные популяции характеризуются различной пространственной структурой – расположением особей в пространстве

Популяции одного вида могут различаться соотношением числа особей разных возрастных групп

Возрастная структура населения трех стран с различными социальными условиями

Y свойства объекта

Область положительной обратной связи

Область положительной обратной связи

X0

X воздействие или условие

X1

X2

Х1 и Х2 – пороговые значения

Гомеостаз – способность биологического объекта к саморегуляции при изменении условий окружающей среды; для организма сохранение постоянства внутренней среды организма и устойчивость основных физиологических функций при изменении внешних условий.

Существуют механизмы саморегуляции популяций.Регуляция осуществляется по принципу обратной связи.

Время

Численность

Смертность

Время

Выживших особей , % 100 %

Возраст , % ( от продолжительности жизни) 100 %

где lx – повозрастная выживаемость,
mx – повозрастная рождаемость, n0 – число особей нулевого возраста, nx - число особей возраста x.

где T – время генерации

скорость популяционного роста
r = b – d,
где b – мгновенная рождаемость,
d – мгновенная смертность

Логистический закон роста популяции:

Типы популяционной динамики

Практический аспект:
вспышки численности паразитов, инвазии
 борьба с вредителями
 истощение запасов промысловых животных

Численность популяции

Время

Стабильный

Флуктуирующий

Взрывной

Экспоненциальный рост при отсутствии любых ограничивающих факторов. В реальности такой тип динамики существовать не может.





Численность популяции переходит с уровня N0 на N1.






Экспоненциальный рост, а затем экспоненциальное падение численности.

Все типы динамики делятся на две группы:
Периодические (осцилляция)
Непериодические (флуктуация)

N

время

N

время

 График зависимости численности популяции от времени при экспоненциальном росте представляет собой кривую, напоминающую по форме латинскую букву J, и называется экспонентой. Эта кривая показывает, что в ходе роста популяции ее численность увеличивается с возрастающей скоростью

число особей

∆N = (b + im) – (d + em),
где b – рождаемость, d – смертность, im – иммиграция, em - эмиграция

Модель экспоненциального роста (Лотка, 20-гг. XX в.)
r = dN / N dt
или dN / dt = r N,
где dN / dt – скорость изменения численности за единицу времени,
r – скорость роста численности

2. Модель S – образного, или логистического, роста (Ферхюльста - Пёрла, 1838 г.)
dN / dt = rN × (K – N) / K,
где dN / dt – скорость роста популяции, r – удельная, или внутренняя, скорость роста (при численности, стремящейся к 0), K – предельная плотность популяции (мера ёмкости среды, верхняя асимптота)

 Основные кривые изменения численности популяций различных видов:
1 — стабильный; 2 — цикличный; 3 — скачкообразный

Варианты завершения роста популяции по J-образной модели:
а - для дафнии на питательной среде; б - преобразование в S-образный вид. 

Жертва

Хищник

Простейший пример: уравнения Лотки-Вольтеррына основе уравнения логистического роста популяции:

Популяции хищника и жертвы

Конкурирующие популяции

Поколения

0

50

100

150

200

1845

1865

1885

1905

1925

Численность

Рысь и заяц в Гудзоновом заливе

Математическая модель

Модель замечательна тем, что в такой системе наблюдаются циклическое увеличение и уменьшение численности и хищника, и жертвы, так часто наблюдаемое в природе. Фазовый портрет системы представляет собой концентрические замкнутые кривые, окружающие одну стационарную точку, называемую центром. Как видно, модельные колебания численности обеих популяций существенно зависят от начальных условий — после каждого периода колебаний система возвращается в ту же точку. Динамические системы с таким поведением называют негрубыми.

Видовая структура биоценоза

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Виды в сообществе

Обилие вида, % (N)

Ранг вида в сообществе (S)

Адаптация – процесс приспособления строения и функций организмов, популяций, видов к условиям среды. Возникает под действием изменчивости, наследственности и естественного (или искусственного) отбора.

Критерии для описания популяций (структура популяций)
Классификация межпопуляционных взаимодействий
Законы динамики популяции
Гомеостаз популяций. Механизмы гомеостаза
Теория экологических стратегий

Мы видим полярность между питанием, поддержанием организма, с одной стороны, и деторождением – с другой; и, смотря по перевесу того или иного отправления, порода поддерживается или быстрым размножением, или долговечностью особей, но никогда обоими вместе.
Н.А.Северцов, 1855

В разреженной среде, где невелика конкуренция, наилучшей стратегией следует считать максимальный вклад энергии в размножение с целью продуцировать как можно больше потомков в самые короткие сроки. Однако в насыщенной среде обитания, где конкуренция остра, оптимальной стратегией будет расходование большого количества энергии на повышение собственной выживаемости и на продуцирование более конкурентноспособных потомков.
Эрик Пианка, 1970

Стратегия большого числа потомков с высокой смертностью

Стратегия малого числа потомков с высоким выживанием

Артур Тенсли
(1871-1955)

Более глубоким представлением является целостная система, включающая в себя не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов. Хотя организмы в первую очередь могут претендовать на наш интерес, когда мы пытаемся мыслить фундаментально, мы не можем отделить их от окружающей среды, с которой они формируют одну физическую систему.
А.Тенсли «Об экосистеме», 1935

Продуценты

Консументы

Редуценты

ЭКОСИСТЕМА

Внешняя атмосфера

Человек

Горные породы

Воды

Блоковая модель экосистемы
А – автотрофы;
Г – гетеротрофы;
З – запасы питательных
веществ.

+

=

Климатические (свет, давление, температура, влажность).
Почвенно-грунтовые (механический состав, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость и т.д.).
Географические факторы ( высота над уровнем моря, рельеф и др.)
Химические факторы (газовый состав воздуха, количество растворенных в водесолей).

Фитогенные (растительного мира).
Зоогенные ( животного мира).
Микробиогенные (вирусы, простейшие).
Антропогенные ( влияние человека).

Абиотические факторы
факторы неживой
природы

Биотические факторы
обусловленные
взаимодействием
живых организмов

Антропогенные факторы
обусловленные
воздействием
человека

Продуценты, автотрофы
(растения, хемосинтетики)

Консументы
(животные)

Детритофаги, редуценты
(животные, бактерии,
грибы)

Среда обитания

Живое вещество

Обмен веществом,
энергией,
информацией

АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Климатические
(атмосферные)

Факторы
водной среды

Эдафические
(почвенные)

Топографические
(рельефные)

диапазон толерантности

численность популяции

гибель

гибель

оптим.условия

низший

высший

стресс

стресс

уровни толерантности

Закон толерантности – существование, распространенность и распределение видов живых организмов в экосистеме определяется тем, может ли уровень одного или нескольких физических или химических факторов быть выше или ниже уровней толерантности этих видов.

Виктор Эрнест Шелфорд
(1877 – 1968)

Зона
оптимума

Зона
пессимума

Зона
пессимума

Закон толерантности Шелфорда
«Лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору».

Градиент фактора

Степеньблагоприятствия

Эврибионтные виды – широкие пределы толерантности

Стенобионтные виды – узкие пределы толерантности

Picea abies – эвритермный вид

Температура, °C

Тропические орхидеи - стенотермные виды

Температура, °C

Интенсивность процесса

-10

0

10

20

30

40

50

60

Зона роста

Зависимость фотосинтеза и дыхания от температуры

Каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма

Каждый вид имеет специфический экологический спектр

Даже у близких видов существуют различияв отношении к отдельным факторам

Зависимость встречаемости наиболее эврибионтных видовпочвенных дрожжей от температуры самого теплого месяца

Пределы толерантности по отношению к какому-либо фактору могут изменяться в зависимости от действия других факторов

Совместное влияние температуры и влажности на смертность куколки Carpocapsa pomonella – вредителя

Лимитирующий фактор – любое условие, приближающееся к пределу толерантности

Рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве.
Ю.Либих, 1840

Юстус Либих
(1803 — 1873)

Понятие «экстремальное условия» используется в двух смыслах

1. По отношению к виду

2. По отношению разнообразию

Закон оптимума
Правило экологической индивидуальности
Независимость приспособления к разным факторам
Взаимодействие факторов
Правило лимитирующих факторов

Абиотические химические факторы (CO2; O2; N2; минералы)

Продуценты растения

Деструкторы (бактерии, грибы)

Консументы (травоядные, плотоядные)

Солнечная энергия

Пищевые цепи и пищевая сеть

Солнечная энергия

Первый трофический уровень

Второй трофический уровень

Третий трофический уровень

Редуценты (деструкторы и детритофаги)

Тепло

Тепло

Тепло

Тело

Тепло

Тепло

Четвертый трофический уровень

Пищевая цепь – последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Пищевые цепи – это также движение питательных веществ от продуцентов, консументов (травоядных, плотоядных и всеядных) к редуцентам и обратно к продуцентам.

Солнечная энергия

Фотосинтез

Тепло

Пастбищная пищевая цепь

Детритная пищевая цепь

Аэробное дыхание растений и животных

Тепло

Тепло

Пастбищная цепь (выедания) – от продуцентов

Детритная цепь – от мертвых остатков (детрита)

Примеры наземных цепей питания: А – цепи выедания; Б – цепи разложения.

Горные львы

Растительность

Птицы питающиеся семенами

Совы

Лисы

Змеи

Деревья

Олени

Мыши

Белки

Кролики

Растения

Травоядные

Плотоядные

Фитопланктон

Зоопланктон

Плотоядные

Продуценты

Консументы
1 порядка

Консументы
2 порядка

Консументы
3 порядка

Консументы
4 порядка

«Правило десяти процентов» или Закон Р. Линдемана (1942)

Правило 10 % (правило Р. Линдемана): на каждый следующий, более высокий трофический уровень переходит в среднем около 10 % энергии предыдущего, 90 % — теряется.

Пирамиды биомасс – это соотношения масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена 

Потери энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) определяют количество этих уровней и соотношение численности хищников и жертв.

Раймонд Линдеман

Поддерживает жизнедеятельность
и в виде теплоты безвозвратно
уходит из экосистемы

Непереваренная пища в виде
экскрементов и мертвых органических
остатков переходит к детритофагам;
для экосистемы не теряется

Обеспечивает рост,
размножение идет на
накопление биомассы
консументов;
доступна для следующего
трофического уровня

Энергия,
поступившая с
предыдущего
трофического
уровня

ИЭ – источник энергии; А – ассимилированная энергия;
НЭ – неиспользуемая энергия; П – продуктивность; Д - дыхание

Продуценты

Консументы

Редуценты

Функционирование экосистемы – за счет потока энергии

Правило пирамиды: на каждом последующем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени, меньше, чем на последующем

Всем экосистемам свойственны определенные количественные соотношения первичной и вторичной продукции

Большинство животных использует в пищу значительный набор объектов


появление горизонтальных пищевых связей, которые также повышают устойчивость биоценозов и экосистемы в целом.
Горизонтальные и вертикальные связи образуют пищевые сети.
.

Чем больше видовое разнообразие биоценоза, тем полнее используются ресурсы на каждом трофическом уровне

На каждом следующем трофическом уровне количество биомассы, создаваемое за единицу времени, меньше, чем на предыдущем.

Каждый вид занимает определенное положение в составе экосистемы и выполняет определенные функции, обеспечивающие стабильность его позиций и стабильность биоценоза и экосистемы в целом

Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами и популяциями.

Потенциальная (фундаментальная) экологическая ниша - совокупность всех условий, в которых потенциально может существовать вид в том случае, если он не ограничен конкуренцией с другими видами

Математическая абстракция: потенциальная ниша вида в экологическом пространстве –
n-мерный параллелепипед, все стороны которого представляют собой пределы толерантности вида по соответствующим экологическим факторам

Chthamalus

Balanus

Океан

Потен-циальная

Реали-зованная

Положение вида, которое занимает в общей системе биоценоза в зависимости от его требований к абиотическим факторам (потенциальной ниши) и в условиях биотических ограничений (конкуренции)

Потенциальная и реализиванная экологические ниши для двух видов усоногих рачков в зоне прилива

Продуктивность экосистем это скорость создания в них биомассы

Продуктивность выражают в единицах энергии или вещества, отнесенных к площади (или объему для водных экосистем) за единицу времени.
Первичная продукция – количество биомассы, создаваемой автотрофами
Валовая первичная продукция - общее количество вещества, создаваемого при фотосинтезе. Тратится на рост + поддержание растения (40-70%).
Чистая продукция – прирост биомассы - энергия для консументов и редуцентов

Количество биомассы, создаваемой на последующих трофических уровнях, называют вторичной продукцией.

Эту группу организмов объединяют во второй трофический уровень, который представлен консументами.

Доля от поверхности Земли, %

Средняя продуктивность, г/м2/год

Доля от общей продуктции Земли, %

Открытый океан

Континентальный шельф

Пустыни, ледники

Полупустыни

Тропические дождевые леса

Саванны

Агроэкосистемы

Таежные леса

Степи

Кустарниковая растительность

Тундра

Тропические сезонные леса

Листопадные леса умер. зоны

Болота и марши

Озера и реки

Эстуарии

Коралловые рифы

Зона апвеллинга

Вечнозеленые леса умер. зоны

Продуктивность – скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию

Измерение продуктивности экосистем – методически просто, но трудоемко!

Лес умеренного пояса (лето)

Пастбища (лето)

Растения

Травоядные

Плотоядные

Фитопланктон

Зоопланктон

Плотоядные

Продуценты

Консументы
1 порядка

Консументы
2 порядка

Консументы
3 порядка

Консументы
4 порядка

Заброшенные поля

Озеро (зима)

Количество
биомассы

Время

Дыхание (R)

Биомасса

Общая продуктивность (P)

незрелая система

зрелая (климаксная)

Фредерик Клементс
(1874-1945)

В пределах одного региона результатом последовательных стадий саморазвития растительного сообщества является одна и та же финальная, или климаксовая стадия, начинаются ли они от водной поверхности или твердой скалы…

Ф.Клементс «О сукцессиирастительных сообществ», 1929

Концепция климакса

Сукцессия – саморазвитие растительного сообщества

СУКЦЕССИЯ
(от лат. – succession – последовательность, смена) последовательная смена одного биоценоза другим

В широком смысле:
- последовательная смена одних сообществ другими во времени

В узком смысле:
- процесс саморазвития сообщества, который происходят в результате изменения среды обитания за счет жизнедеятельности организмов

Сукцессионная серия 
- последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга сообществ в ходе сукцессии

Время

Разнообразие и продукция

Биомасса

Время

- Сукцессионные серии (повторяемость).
- Возрастание разнообразия
- Усиление конкуренции
- Лабильность  стабильность
- Детерминированный финал (климакс)

Климаксовая экосистема

Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит.

Такое равновесие называют климаксом, а экосистему – климаксовой

круговорот вещества (биогеохимические циклы)

превращения энергии (трофические цепи)

концепция продуктивности

Моновидовые

Маловидовые

Многовидовые

Вертикальная
(ярусы)

Горизонтальная
(микрогруппировки, парцеллы, синузии)

Широтно-зональный градиент

Разнообразие островов определяется не столько условиями, сколько доступностью

Разнообразие таксоцена выше около центра происхождения

Экотон - переходная зона между двумя соседними биоценозами
Экотонный эффект - повышении продуктивности и разнообразия в экотоне вследствие перекрывания экологических амплитуд видов из разных экологических групп.

температура

среднее кол-во осадков (сантиметры в год)

0

120

80

25

СЕВЕРНЫЕ
ХВОЙНЫЕ
ЛЕСА

ХОЛОДНЫЕ
ПУСТЫНИ

ТРАВЯНЫЕ
ФОРМАЦИИ
ПОЛЯРНЫХ
ШИРОТ
(ТУНДРА)

ВЛАЖНЫЕ
ТРОПИЧЕСКИЕ
ЛЕСА

ЛИСТОПАДНЫЕ
ЛЕСА

ПУСТЫНИ
УМЕРЕННЫХ
ШИРОТ

ТРОПИЧЕСКИЕ
ПУСТЫНИ

УМЕРЕННО-
ТЕПЛО
средняя температура

ТРАВЯНЫЕ
ФОРМАЦИИ
УМЕРЕННЫХ
ШИРОТ
(СТЕПИ, ПРЕРИИ)

ТРАВЯНЫЕ
ФОРМАЦИИ
ТРОПИЧЕСКИХ
ШИРОТ
(САВАННА)

Тундры
Тундровые ландшафты характеризуются небольшими значениями биомассы (от 40 до 280 ц/га), примерно равной биомассе пустынь. Большая часть биомассы сосредоточена в корнях (70-80%). Продуктивность в тундре близка по значениям продуктивности сухих степей и пустынь (10-25 ц/га). Таким образом, по биомассе и ежегодной продукции эта группа ландшафтов близка к сухим степям и пустыням.

Лесные ландшафты.
Для этой группы ландшафтов характерно накопление большого количества биомассы (Б – от 500-1000 ц /га в северной тайге до 4500-5000 ц/га во влажных тропических лесах), которая намного превышает ежегодную продукцию.

Травянистые ландшафты.

Биомасса в этих ландшафтах на порядок меньше, чем в лесных ландшафтов и не превышает 300-400 ц/га (от 150 ц/га в луговых степях до 400 ц/га в саваннах). Большая ее часть сосредоточена в корнях (70-90%).
Ежегодная продукция же степей значительна (составляет от 30 до 50% от биомассы), в отдельных случаях не уступает продукции лесных ландшафтов и составляет от 50ц/га в сухих степях до 130 ц/га в луговых степях.

Пустыни.
Для пустынных ландшафтов характерны небольшие значения биомассы и продуктивности (от 10 до 100 ц/га и от 5 до 50 ц/га соответственно). Прямые водные связи в этих ландшафтах значительно ослаблены, что определяет независимость друг от друга основных компонентов ландшафта, например, элювиальных почв и грунтовых вод.

Доказательства связи разнообразия и устойчивости:
Математические модели из немногих видов неустойчивы
Простые лабораторные совместные культуры неустойчивы
Острова уязвимы для вторжения новых видов
Сельскохозяйственая растительность - наиболее уязвима
В тропиках - редки вспышки численности и инвазии

CO2+H2O в почве
(высвобождаемая энергия)

Ископаемое топливо
(Сорг) и известняк (карбонаты)
(запасенная химическая энергия)

С6Н12О8 (глюкоза)
и другие органические соединения
(запасенная химическая энергия) и О2

Фотосинтез (зеленые растения)

Аэробное дыхание и разложенные (растения, животные и деструкторы)

Тепло

Солнечная энергия

Тепло

Сжигание и выветривание

Биотический круговорот (углерода, фосфора, азота)

Оксиды азота в атмосфере

Азот в атмосфере

NO и NO в почве и воде

Растительные белки

Животные белки

NH и ионы аммония в почве и воде

Деструкторы

молнии

денитрифицирующие
бактерии

азотофиксирующие бактерии
и сине-зеленые водоросли

бактерии

бактерии

бактерии

осадки

Биотический круговорот (азота, фосфора, углерода)

Органический фосфор в клетках животных

Искусственные фосфатные удобрения и моющие средства

Фосфатные породы и ископаемые остатки животных

Гуано (помет птиц)

Растворенные неорганические фосфаты (реки, озера и почва)

Органический фосфор в клетках растений

Мелководные океанические нерастворимые фосфатные отложения

Глубоководные океанические нерастворимые фосфатные отложения

Выпадение из круговорота

Деструкторы

Геологический взброс (млн.лет)

Разработка недр

Кости и зубы

Выщелачивание

Отходы

Кости и зубы

Разработка недр

Птицы питающиеся рыбой

Речной сток

Сток и эрозия

Разложе ние

Отходы и разложение

Биотический круговорот (фосфора, углерода, азота)

Сероводород
+
О2

Сероводород

Диоксид серы
+
Н2О

Серная кислота
NH3 +

Аммония сульфат (NH4)2SO4)

Животные

Растения

Сульфатные соли

Вулканы и горячие источники

Промышленность

Туман и осадки

Разлагающиеся организмы

Измерение продуктивности суши и океана

С 1964 г.

Цель – «Выявить основные закономерности распределения и воспроизводства органических веществ в интересах наиболее рационального использования их человеком и получения максимальной продуктивности на единицу площади в природных или культурных условиях».

Катастрофический рост численности населения
Технологический взрыв. Приоритет технического развития в ущерб гармонии с природой и совершенствованию культуры.
Иллюзия независимости от природы и все большая зависимость не деле (нехватка ресурсов).
Окончательное осознание ограниченности ресурсов (не только учеными, но и политиками)
Проблема охраны природы

Результат: экология перестает быть только академической наукой, становится теоретической базой природопользования

Осознание необходимости перестройки экономики в соответствии с экологическими законами