Общая экология билеты

Изучение наземных природных экосистем

Изображение экосистемы

В науке экологии одним из ключевых понятий является экосистема. Это биологическая система, включающая сообщество живых организмов (биоценоз), окружающую среду (биотоп), а также систему взаимодействий, осуществляющих обмен веществ и энергии между ними.

Роль человека в сохранении экосистем

Пашня – типичный пример искусственной экосистемы, которая соседствует с естественным лугом или степью. Процессы восстановления естественной структуры экосистемы происходят при соблюдении энергетических потоков со стороны человека.

Идеи единства всего живого в природе и взаимодействия процессов ведут своё начало с античных времён. В конце XIX века появилась современная трактовка понятия экосистемы, а в 1935 году термин был впервые предложен английским экологом Артуром Тенсли.

Основные компоненты экосистемы

  1. Абиотические факторы: климат, почва, географическое расположение.
  2. Продуценты: растения, исползующие свет для фотосинтеза.
  3. Консументы: животные, потребляющие растения или других животных.
  4. Разлагатели: организмы, разлагающие органические вещества.

Зонирование территории

Океаны и острова формируют разнообразные экотопы, которые взаимодействуют между собой, образуя сложную структуру экосистемы.

Биотоп и биоценоз вместе образуют биогеоценоз, или экосистему. Изучение экосистем началось благодаря ученым, таким как Юджин Одум и В. Н. Сукачёв, которые внесли значительный вклад в развитие экологии.


Что дает изучение экосистем?

Изучение экосистем позволяет лучше понять взаимосвязи между живыми организмами и окружающей средой, а также разработать методы консервации и восстановления нарушенных природных систем.

Поддержание баланса в экосистемах играет ключевую роль в сохранении биоразнообразия и обеспечении устойчивости окружающей среды.


Сводка

Изучение наземных природных экосистем позволяет понять их функционирование и влияние на окружающую среду. Соблюдение энергетических потоков и взаимодействие компонентов экосистемы существенно для сохранения биоразнообразия. Работа ученых в этой области помогает развивать методы охраны и восстановления природных ресурсов.

Экосистема

Биомы: системно-географические подразделения

Биом — крупное системно-географическое (экосистемное) подразделение в пределах природно-климатической зоны (Реймерс Н. Ф.). Согласно Р. Х. Уиттекеру — группа экосистем данного континента, которые имеют сходную структуру или физиономию растительности и общий характер условий среды.

Это определение несколько некорректно, так как существует привязка к конкретному континенту, а некоторые биомы присутствуют на разных континентах, например, тундровый биом или степной.


Субтропические и тропические биомы

Общим в этих определениях является то, что в любом случае биомом называется совокупность экосистем одной природно-климатической зоны.

Наземные биомы, классифицированные по типу растительности:

  • Субтропические дождевые леса
  • Саванны с древесной растительностью (лесостепи)
  • Тропический дождевой лес

Биосфера охватывает всю поверхность Земли, покрывая её плёнкой живого вещества. В. И. Вернадский впервые чётко сформулировал понимание того, что всё живое на планете неразрывно связано с биосферой и обязано ей своим существованием.

В действительности, ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связаны — прежде всего питанием и дыханием — с окружающей их материально-энергетической средой. Вне её в природных условиях они существовать не могут.

В ярком образе экономист Л. Брентано иллюстрировал планетную значимость этого явления. Он подсчитал, что, если бы каждому человеку дать один квадратный метр и поставить всех людей рядом, они не заняли бы даже всей площади маленького Боденского озера на границе Баварии и Швейцарии. Остальная поверхность Земли осталась бы пустой от человека. Таким образом, всё человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом.


Связь человека с биосферой

В гуще, в интенсивности и в сложности современной жизни человек практически забывает, что он сам и всё человечество, от которого он не может быть отделён, неразрывно связаны с биосферой — с определённой частью планеты, на которой они живут. Они — геологически закономерно связаны с её материально-энергетической структурой.

Человечество, как живое вещество, неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определённой геологической оболочки Земли — с её биосферой. Оно не может физически быть от неё независимым ни на одну минуту.

Лик планеты — биосфера — химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все её природные воды.

Предмет, структура и задачи экологии как науки. Крупнейшие отечественные экологические школы.

В.И. Вернадский о биосфере. Функции живого вещества в биосфере.

Основные направления в истории развития экологии. Практическая значимость экологических исследований на современном этапе.

Популяция и ее экологическая характеристика.

Популяция и ее характеристики:

Популяция — это изолированная группа особей одного вида, живущих на одной территории и способных к скрещиванию между собой. Основные характеристики популяции включают в себя ареал, численность, плотность, рождаемость и смертность.

Ареал

  • Популяция имеет свой ареал, который может расширяться или сужаться в зависимости от подвижности особей.
  • Для растений величина ареала определяется расстоянием, на которое могут распространяться пыльца, семена или вегетативные части.

Численность

  • Численность популяции – общее количество особей вида на определенной территории.

Плотность

  • Плотность популяции – число особей на единице площади или объема.

Рождаемость

  • Максимальная и экологическая рождаемость – теоретическое и фактическое количество особей, рожденных в популяции за единицу времени.

Смертность

  • Физиологическая и экологическая смертность – количество особей, погибших в популяции за определенный период времени.

Общие закономерности воздействия факторов среды на организм

Факторы окружающей среды могут влиять на организм различными способами. Давайте рассмотрим общие закономерности их воздействия:

  1. Питание
  • Недостаток или избыток питательных веществ может привести к нарушениям в работе органов и систем организма.
  1. Температура
  • Экстремальные температуры могут вызвать стресс и даже гибель организма.
  1. Влажность
  • Избыток влаги может способствовать развитию грибковых заболеваний, а недостаток – привести к обезвоживанию.
  1. Освещенность
  • Недостаток света может привести к замедлению процессов фотосинтеза у растений.
  1. Давление
  • Изменения в атмосферном давлении могут повлиять на состояние организма и его функции.

Итак, факторы окружающей среды играют важную роль в жизни популяции и должны учитываться при изучении экологии и поведения организмов.

Экологические законы организмов

Взаимосвязь организмов с экологическими факторами

Экологические знания позволили установить зависимость жизнедеятельности организмов от силы воздействия экологических факторов. Любая ответная реакция организма на действие фактора среды в конечном итоге отражается на его жизнедеятельности.

Экологический минимум и максимум

Она зависит не только от природы фактора, но и от силы и продолжительности его воздействия на организм, то есть от дозы фактора. Минимальное значение силы воздействия фактора, при котором начинается проявление жизнедеятельности организма, называется экологическим минимумом или нижним пределом выносливости. А максимальное значение, при котором жизнедеятельность организма прекращается, — экологическим максимумом или верхним пределом выносливости.

Пределы выносливости

Для каждого вида характерны свои пределы выносливости. Пределы выносливости, или толерантности — диапазон силы воздействия фактора, в котором возможна жизнедеятельность организма. Если сила воздействия фактора выходит за эти пределы, то жизнь организма в данной среде становится невозможной, и он погибает.

Три зоны воздействия фактора

В пределах выносливости жизнедеятельность организма сильно варьирует в зависимости от степени выраженности фактора. Можно выделить три зоны воздействия фактора, в которых организм проявляет характерную ответную реакцию:

  1. Зона пессимума – силы воздействия фактора, в пределах которых жизнедеятельность организма снижена.
  2. Зона нормальной жизнедеятельности – силы воздействия фактора, в пределах которых наблюдаются рост и развитие организма.
  3. Зона оптимума – диапазон силы воздействия фактора, в пределах которого организм проявляет максимальную жизнедеятельность.

Экологический оптимум

Для некоторых видов организмов в зоне оптимума можно выделить конкретное значение силы фактора, наиболее благоприятное для жизнедеятельности. Его называют экологическим оптимумом.

Перспективы и опасности человеческого влияния

Растущее влияние человека на биосферу представляет как перспективы, так и опасности. Активная деятельность людей может улучшить среду обитания для многих видов, однако недостаточное внимание к экологическим проблемам может привести к негативным последствиям для окружающей среды и живых организмов. Важно развивать устойчивые и эффективные методы взаимодействия с природой, чтобы обеспечить сохранение биоразнообразия и устойчивость экосистем.

Воздействие человека на окружающую среду принимает глобальные масштабы. Антропогенный фактор становится ведущим, и без его учета невозможно понять и оценить, что еще произойдет с нашим общим домом. Уровнем человеческого влияния на окружающую среду определяется и то, как измененная природа воздействует на дальнейшее развитие нашего общества.Стремительно развивающийся научно-технический прогресс в сочетании все с той же идеей превосходства человека и необходимости взять у природы как можно больше в итоге привел к тому, что мы имеем сейчас. Человечество находится на грани экологической катастрофы.А ведь мы, как и все другие живые существа на планете, неотделимы от биосферы. Рамки окружающей природной среды, в которых мы можем существовать, достаточно узкие. Нам нужна определенная температура воздуха, солнечный свет, состав атмосферы, почвы и воды — именно та экологическая среда, в которой проходила эволюция на протяжении всей нашей истории. Да, человек умеет приспосабливаться к новым условиям обитания. Но только до известных пределов. И скорость такой адаптации не слишком велика. Как показывает практика, губительные изменения природной среды идут гораздо быстрее, а значит, если не остановить эти изменения, человечество ждут трудные времена. Современные тенденции развития ведут к изменениям условий среды в глобальных масштабах – это и кислотные дожди, и разрушение озонового экрана, и потепление климата из-за поступления в атмосферу двуокиси углерода при сжигании топлива.Загрязнение атмосферы влияет на глобальное потепление и изменение климата на планете.Уничтожение лесов сказывается на состоянии атмосферы и нарушает водный режим нашей планеты.Загрязнение Мирового океана — еще одна проблема, очень остро стоящая перед человечеством. Из-за загрязнения меняются органолептические свойства воды, в ней в больших количествах появляются тяжелые металлы, хлориды, сульфиты, радиоактивные элементы, сокращается количество растворенного в воде кислорода.Загрязнение почвы. Вредные вещества попадают и в почву.Незаконное уничтожение животных на сегодня также является одной из важных экологических проблем.

Основные адаптации организмов к водной среде.

В соленых водах обитают только водоросли. К изменению состава солнечного спектра в зависимости от глубины они приспособились путем изменения состава своих пигментов(красный спектр поглощают зеленые и бурые на поверхности, красные водоросли синий спектр на глубине). В стеблях растений слабо развиты механические ткани. Опорой служит вода за счет ее высокой плотности.Адаптацией к недостатку кислорода – наличие в органах водных растений воздухоносной ткани (аэренхимы). Минеральные вещества находятся в воде в растворенном состоянии, поэтому слабо развиты проводящие ткани и корневая система. Корни могут отсутствовать, либо служить только для закрепления в субстрате. Листья чаще тонкие и длинные, либо сильно рассеченные. Устьица у плавающих листьев находятся на верхней стороне, а у погруженных в воду — отсутствуют. Если наполовину в воде — гетерофилия(листья разной формы). Пыльца, плоды и семена водных растений приспособлены к распространению водой. Они имеют пробковые выросты или прочные оболочки, предотвращающие попадание воды внутрь и загнивание.Планктон — обитающие в толще воды и передвигающиеся под действием ее тока. 1) увеличение поверхности тела за счет сплющивания и удлинения формы, развития выростов и щетинок, образование гидрофобных поверхностей тела;2) уменьшение плотности тела в связи с редукцией скелета, наличием жировых капель, пузырьков воздуха, слизистых чехлов, пенистых поплавков.Нектон – обитающие в толще воды и ведущие активный образ жизни. Противостоять течению им помогают адаптации к активному плаванию и уменьшению трения тела. Активное плавание достигается за счет хорошо развитой мускулатуры. При этом могут использоваться энергия выбрасываемой струи воды, изгибание тела, плавники, ласты. Уменьшению трения тела способствуют: обтекаемая форма тела, эластичность кожных покровов, наличие на коже чешуи и слизи.Бентос — обитающие на дне или в толще донного грунта. 1)утяжеление тела за счет раковин (моллюски), хитинизированной кутикулы (раки, крабы);2) закрепление на донном субстрате с помощью органов фиксации (присоски, крючья) или уплощенного тела (скат, камбала). Некоторые представители зарываются в грунт (многощетинковые черви).

Экология как научная основа охраны природы.

Основные адаптации организмов к наземно-воздушной среде.

Адаптации растений к жизни в наземно-воздушной среде:С выходом растений на сушу у них появились ткани. В связи с тем, что воздух не может служить надежной опорой, у растений возникли механические ткани (древесные и лубяные волокна). Широкий диапазон изменения климатических факторов стал причиной формирования плотных покровных тканей (перидермы и корки). Нахождение воды и питательных веществ в почве обусловило появление проводящих тканей (ксилемы и флоэмы), формирование корня, стебля и листьев. Благодаря подвижности воздуха (ветру) у растений сформировались приспособления к опылению, распространению спор, пыльцы, плодов и семян.У животных имеются следующие приспособления:1. крылья для полета либо конечности для передвижения по суше;2. наружные покровы для защиты от низких или высоких температур;3. наружный или внутренний скелет для поддержания тела в воздушном пространстве;4. приспособления для добывания и удержания в теле воды.

Возрастная структура популяции и ее значение. Типы популяций по возрастной структуре.

Возрастная структура — соотношение в популяциях возрастных групп особей, различающихся по способности к воспроизводству. Есть виды с очень простой возрастной структурой популяций, которые состоят практически из представителей одного возраста (однолетние растения, саранча). Сложная возрастная структура популяций возникает тогда, когда в них представлены все возрастные группы. Предрепродуктивные особи — молодые особи, еще не способные давать потомство. Репродуктивные особи — половозрелые размножающиеся особи. Пострепродуктивные особи — старые особи, уже не дающие потомства.Значение: Возрастная структура популяций показывает, что может произойти с популяцией в будущем. Оно позволяет оценить, какую возрастную группу и в каком объеме можно изъять для использования или наоборот, какая возрастная группа особей нуждается в охране.Количественное соотношение численности (в %) разных возрастных групп в популяциях животных выражают с помощью возрастных пирамид.Развивающаяся (растущая) – популяция с большой долей предрепродуктивных особей относительно других возрастных групп, будет увеличивать свою численность и иметь возрастную пирамиду с широким основанием.При относительно равномерном распределении особей по возрастным группам популяция будет находиться в стабильном состоянии.При малой доле предрепродуктивных особей популяция будет иметь возрастную пирамиду с узким основанием. Ее численность будет снижаться. Такая популяция называется вымирающей или стареющей. Она нуждается в охране или дополнительном вселении особей.

Экологические отношения типа хищник-жертва и их роль в регуляции численности популяции.

Круговорот веществ как условие стабильности биосферы.

Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся процесс перемещения и перехода химических элементов из живых тел в соединения неживой природы и обратно.Главными условиями устойчивого существования биосферы являются постоянно протекающий круговорот веществ и поток энергии. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический.Геологический (большой) круговорот веществ — процесс миграции веществ и природных вод, происходящий в результате воздействия абиотических факторов (факторов неживой природы). При большом геологическом круговороте горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.Биологический (малый) круговорот веществ — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами, атмосферой и почвой. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, постоянно перемещаются, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Так, в природе из неорганических веществ автотрофами синтезируются органические вещества. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Возможность многократного использования веществ делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии Солнца.Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы воды, углерода, кислорода и азота круговорот которых, принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы.

Условия стабильности биосферы.

Стабильность биосферы — это ее способность сохранять равновесное состояние, прежде всего в результате непрерывного поступления солнечной энергии, используемой фотоавтотрофными организмами и преобразуемой ими в первичное органическое вещество. Также стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, их постоянном размножении и адаптации к жизни в разных условиях среды. Не менее важно для стабильности биосферы поддержание непрерывного биогенного круговорота веществ за счет различных типов и способов питания живых организмов.

Формы групповой организации у животных.

Одиночный образ жизни — особи популяции независимы и обособлены друг от друга. Характерен для многих видов (божья коровка, жужелицы, актинии и др.), но лишь на определенных стадиях жизненного цикла. Полностью одиночное существование в природе не встречается, так как при этом было бы невозможно размножение.Для многих видов характерны только очень слабые контакты даже между совместно живущими особями. Например, это некоторые водные обитатели (прикреплённые ракообразные – балянусы, губки, актинии и др.) с наружным способом оплодотворения, при котором необходимость в непосредственной встрече партнёров отсутствует. У видов с внутренним оплодотворением встречи самцов и самок также могут быть весьма кратковременными. Для таких видов свойствен индивидуальный обособленный тип поведенческой структуры (семейство кошачьих (ягуар), за исключение львов, росомаха, еж).Семейный образ жизни (птицы, медведи)Колонии — это групповые поселения оседлых животных, они могут существовать длительно или возникать лишь на период размножения, например, у птиц (грачи, тупики, гагары и др.).В колониях некоторые жизненные функции выполняются сообща (защита от врагов, предупредительная сигнализация и др.), что увеличивает вероятность выживания отдельных особей. Наиболее сложные колонии у общественных насекомых (термиты, муравьи, пчелы).Существует обязательное разделение труда и специализация отдельных особей по выполняемым функциям.

Стаи — это временные объединения животных, которые проявляют биологически полезную организацию действий. Стаи облегчают защиту от врагов, добыч пищи, миграции. Наиболее широко стайность распространена среди рыб и птиц, а также у собачьих млекопитающих (волки, гиены, собаки и др.). В стаях сильно развиты подражательные реакции и ориентация на соседей. Бывают стаи без выраженного доминирования отдельных ее членов (эквипотенциальные) (рыбы мелкие птицы, саранча) и стаи с лидерами (крупны птицы и млекопитающие).

Стада — это более длительные и постоянные объединения животных (зебры, волки, павианы и др). В стадах осуществляются все основные функции жизни вида добывание корма, защита от хищников, миграции, размножение, воспитание молодняка и др.Основу группового поведения животных в стадах составляют взаимоотношения доминирования-подчинения, основаны на различиях между особями. Ранг особи в стаде определяется возрастом, физической силой, опытом, наследственными качествами.Наиболее сложный тип поведенческой структуры свойственен для стад с вожаками и чётким соподчинением между особями. Вожаки, в отличие от лидеров, осуществляют активное оперативное руководство стадом путём сложной системы сигналов, угроз и прямым физическим воздействием.

Пространственные границы экосистемы (хорологический аспект)

Устье реки — пример экотона (фотография дельты Нила из космоса)

Некоторые возможные варианты границ (экотоны) между экосистемами

Альтернативным представлением о континуальных переходах между экосистемами является представление о экоклинах (экологических рядах). Экоклин — постепенная смена биотопов, генетически и фенотипически приспособленных к конкретной среде обитания, при пространственном изменении какого-либо фактора среды (обычно климатического), а потому составляющих непрерывный ряд форм без заметных перерывов постепенности. Экоклин невозможно разделить на экотипы. Например, длина ушей лисиц и мн. др., их признаки изменяются с севера на юг настолько постепенно, что очень затруднительно выделить четкие морфологические группы, которые бы естественно объединялись в подвиды.

Понятия, сходные с понятием экосистемы, в смежных науках

В данных науках существуют понятия, схожие с понятием экосистема. Различие состоит в том, что в данных науках происходит смещение аспекта рассмотрения структуры и функций экосистем.

В экогеологии, науке, изучающей взаимодействие организмов и литосферы, упор делается на рассмотрении данных связей и соответственно взаимодействии данных компонентов природы, причём в большей степени влияние литосферы на формирование, развитие и функционирование экосистем и отдельных компонентов.

В целом, в географических науках принято рассматривать природный территориальный комплекс, как эквивалент экосистемы.

Временные границы экосистемы (хронологический аспект)

Смена сообщества в сосновом лесу после низового пожара (слева) и через два года после пожара (справа)

Пример стадии автотрофной сукцессии — лес вырастает на месте залежи

Пример стадии гетеротрофной сукцессии — заболоченный луг

Ельник (еловый лес) — типичный пример климаксного сообщества, развивающегося на некоторых суглинистых почвах на Северо-Западе России в подзоне южной тайги

Сосновый лес как климаксное сообщество, наоборот, развивается на песчаных и супесчаных почвах

Механизмы функционирования экосистемы

Схема гомеостаза системы по Ю. Одуму

Коралловые рифы — пример хрупкости биоразнообразия

Различные положения равновесия систем (иллюстрация)

Биоразнообразие и устойчивость в экосистемах

Дождевые леса Амазонии, как и влажные экваториальные леса, являются местами наибольшего биоразнообразия

Экваториальный дождевой лес может содержать более 5000 видов растений (для сравнения в лесах таёжной зоны — редко более 200 видов)

Сложность и устойчивость экосистем

Принципиальная схема потоков вещества и энергии в экосистеме, на примере системы ручьёв Сильвер Спринг (англ. ). По Одуму, 1971.

У этого термина существуют и другие значения, см. продуктивность.

Схема распределения потоков вещества и энергии среди продуцентов и консументов (по Ю. Одуму, 1971)

Распределение энергии и вещества в экосистеме может быть представлено в виде системы уравнений. Если продукцию продуцентов представить как P1, то продукция консументов первого порядка будет выглядеть следующим образом:

где R2 — затраты на дыхание, теплоотдача и неассимилированная энергия. Следующие консументы (второго порядка) переработают биомассу консументов первого порядка в соответствии с:

Энергетические соотношения в экосистемах (экологические эффективности)

График изменения соотношения P/B (продуктивность к биомассе) в экосистемах (по А. К. Бродскому, 2002)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *