Реферат: Структура экосистем
План.
1. Введение. Экосистема и экосистемный метод в экологии.
2. Общая структура экосистем.
3. Биотический компонент экосистем.
3.1. Солнце как источник энергии.
4. Пищевые цепи и трофические уровни.
4.1. Первичные продуценты.
4.2. Первичные консументы.
4.3. Консументы второго и третьего порядка.
4.4. Редуценты и детритофаги.
5. Пищевые сети.
6. Экологические пирамиды.
6.1. Пирамиды численности.
6.2. Пирамиды биомассы.
7. Абиотический компонент экосистемы.
7.1. Эдафические факторы.
7.2. Климатические факторы.
7.2.1. Свет.
7.2.2. Температура.
7.2.3. Влажность и соленость.
8. Вывод.
9. Список используемой литературы.
1. Введение. Экосистема и экосистемныйметод в экологии.
Впервые определение экосистемы как совокупности живых организмов с ихместообитанием было дано Тэнсли в 1935 году. При экосистемном подходе кизучению экологии в центре внимания ученых оказываются поток энергии икруговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентом экосферы.Экосистемный подход выдвигает на первый план общность организации всехсообществ, независимо от местообитания и систематического положения входящих вних организмов. Вместе с тем в экосистемном подходе находит приложениеконцепция гомеостаза (саморегуляции), из которой становится понятным, чтонарушение регуляторных механизмов, например в результате загрязнения среды,может привести к биологическому дисбалансу. Экосистемный подход важен также приразработке в будущем научно обоснованной практики ведения сельского хозяйства.
2. Общая структура экосистем.
Экосистемы состоят из живого и неживогокомпонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим.Совокупность живых организмов биотического компонента называется сообществом. Исследование экосистем включает, в частности, выяснение иописание тесных взаимосвязей, существующих между сообществом и абиотическимкомпонентом.
Биотический компонент полезно подразделить на автотрофные и гетеротрофныеорганизмы. Таким образом, все живые организмы попадут в одну из двух групп.Автотрофы синтезируют необходимые им органические вещества из простыхнеорганических и делают, за исключением хемотрофных бактерий, с помощьюфотосинтеза, используя свет как источник энергии. Гетеротрофы нуждаются висточнике органического вещества и (за исключением некоторых бактерий)используют химическую энергию, содержащуюся в потребляемой пище. Гетеротрофы всвоем существовании зависят от автотрофов, и понимание этой зависимостинеобходимо для понимания экосистем.
Неживой, или абиотический, компонент экосистемы в основном включает 1)почву или воду и 2) климат. Почва и вода содержат смесь неорганических иорганических веществ. Свойства почвы зависят от материнской породы, на которойона лежит, и из которой частично образуется. В понятие климата входят такиепараметры, как освещенность температура и влажность, в большой степениопределяющий видовой состав организмов, успешно развивающихся в даннойэкосистеме. Для водных экосистем очень существенна также степень солености.
3. Биотический компонент экосистем
Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательныхвеществ. Всю экосистему можно уподобить единому механизму,потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательныевещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, вкоторый, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходовжизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, вэкосистеме происходит круговорот питательных веществ, в котором участвуют иживой и неживой компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическимициклами.
Движущей силой этих круговоротов служит, в конечном счете, энергияСолнца. Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергиюсолнечного света и затем передают ее другим представителям биотическогокомпонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ черезэкосистему. Необходимо еще отметить, что климатические факторы абиотического,компонента, такие, как температура, движение атмосферы, испарение и осадки,тоже регулируются поступлением солнечной энергии.
Энергия может существовать в виде различных взаимопревращаемых форм,таких, как механическая, химическая, тепловая и электрическая энергия. Перехододной формы в другую называется преобразованием энергии.
Таким образом, все живые организмы – это преобразователи энергии, икаждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в видетепла. В конце концов, вся энергия, поступающая в биотический компонентэкосистемы, рассеивается в виде тепла. Изучение потока энергии через экосистемыназывается энергетикой экосистемы.
Фактически живые организмы не используют тепло, как источник энергии длясовершения работы – они используют свет и химическую энергию.
Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикойэкосистем.
3.1. Солнце как источник энергии
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце – это звезда,излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется вкосмическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее,примерно 10,5 * 106 кДж/м2 в год, захватывается Землей.Около 40 % этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли иповерхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. Еще 15 %поглощаются атмосферой (в частности, озоновым слоем в ее верхних частях) ипревращаются в тепловую энергию или расходуются на испарение воды. Оставшиеся45 % поглощаются растениями и земной поверхностью. В среднем это составляет 5 *106 кДж/м2 в год, хотя реальное количество энергии дляданной местности зависит от географической широты. Большая часть энергииповторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу приблизительнодве трети энергии поступает в атмосферу этим путем. И только небольшая частьпришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы.
4. Пищевые цепи и трофические уровни
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаютсяавтотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) длягетеротрофов. Типичный пример животное поедает растения. Это животное в своюочередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходитьперенос энергии через ряд организмов – каждый последующий питается предыдущим,поставляющим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательностьназывается пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем. Первыйтрофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичныепродуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичнымиконсументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывает четыреили пять трофических уровней и редко больше шести.
/>4.1.Первичные продуценты
Первичными продуцентами являются автотрофные организмы, в основномзеленые растения. Некоторые прокариоты, а именно сине-зеленые водоросли инемногочисленные виды бактерий, тоже фотосинтезируют, но их вклад относительноневелик. Фотосинтетики превращают солнечную энергию (энергию света) вхимическую энергию, заключенную в органических молекулах, из которых построеныткани. Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят ихемосинтезирующие бактерии, извлекающие энергию из неорганических соединений.
В водных экосистемах главными продуцентами являются водоросли – частомелкие одноклеточные организмы, составляющие фитопланктон поверхностных слоевокеанов и озер. На суше большую часть первичной продукции поставляют болеевысокоорганизованные формы, относящиеся к голосеменным и покрытосеменным. Ониформируют леса и луга.
4.2. Первичные консументы
Первичные консументы питаются первичными продуцентами, т. е. этотравоядные животные. На суше типичными травоядными являются многие насекомые,рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее важные группы травоядных млекопитающих– это грызуны и копытные. К последним относятся пастбищные животные, такие, каклошади, овцы, крупный рогатый скот, приспособленные к бегу на кончиках пальцев.
В водных экосистемах (пресноводных и морских) травоядные формыпредставлены обычно моллюсками и мелкими ракообразными. Большинство этихорганизмов – ветвистоусые и веслоногие раки, личинки крабов, усоногие раки идвустворчатые моллюски (например, мидии и устрицы) – питаются, отфильтровываямельчайших первичных продуцентов из воды. Вместе с простейшими многие из нихсоставляют основную часть зоопланктона, питающегося фитопланктоном. Жизнь вокеанах и озерах практически полностью зависит от планктона, так как с негоначинаются почти все пищевые цепи.
К первичным консументам относятся также паразиты растений (грибы,растения и животные).
4.3. Консументы второго и третьего порядка
Вторичные консументы питаются травоядными; таким образом, это ужеплотоядные животные, так же как и третичные консументы, поедающие консументоввторого порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками иохотиться, схватывать и убивать свою жертву, могут питаться падалью или бытьпаразитами. В последнем случае они по величине меньше своих хозяев. Пищевыецепи паразитов необычны по ряду параметров. В типичных пищевых цепях хищниковплотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне:
Растительныйматериал (например, нектар) → муха → паук →
→землеройка → сова
Сокрозового куста → тля → божья коровка → паук →насекомоядная птица → хищная птица
В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, последние становятсяменьше по размерам на каждом следующем уровне.
4.4. Редуценты и детритофаги (детритные пищевые цепи)
Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. Вышебыли приведены примеры пастбищных цепей, в которых первый трофический уровеньзанимают зеленые растения, второй – пастбищные животные и третий – хищники.Тела погибших растений и животных еще содержат энергию и «строительныйматериал», так же как и прижизненные выделения, например, моча и фекалии. Этиорганические материалы разлагаются микроорганизмами, а именно грибами ибактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмыназываются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые телаили отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скоростьразложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и труповживотных потребляются за несколько недель, тогда как упавшие деревья и ветвимогут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины(и других растительных остатков) играют грибы, которые выделяют ферментцеллюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животнымпроникать внутрь и поглощать размягченный материал.
Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, и многиемелкие животные (детритофаги) питаются им, ускоряя процесс разложения.Поскольку в этом процессе участвуют как истинные редуценты (грибы и бактерии),так и детритофаги (животные), и тех и других иногда называют редуцентами, хотяв действительности этот термин относится только к сапрофитным организмам. />
Детритофагами могут в свою очередь питаться более крупные организмы, итогда создается пищевая цепь другого типа – цепь, цепь, начинающаяся с детрита:
Детрит → детритофаг → хищник
К детритофагам лесных и прибрежных сообществ относятся дождевой червь,мокрица, личинка падальной мухи (лес), полихета, багрянка, голотурия(прибрежная зона).
Приведем две типичные детритные пищевые цепи наших лесов:
Листовая подстилка → Дождевой червь → Черный дрозд →Ястреб-перепелятник
Мертвое животное → Личинки падальных мух → Травяная лягушка →Обыкновенный уж
Некоторые типичные детритофаги — это дождевые черви, мокрицы,двупарноногие и более мелкие (<0,5 мм) животные, такие, как клещи,ногохвостки, нематоды и черви-энхитреиды.
5. Пищевые сети
В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийсядругими организмами какого-то одного типа. Однако реальные пищевые связи вэкосистеме намного сложнее, т. к. животное может питаться организмами разныхтипов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных пищевых цепей. Это вособенности относится к хищникам верхних трофических уровней. Некоторые животныепитаются как другими животными, так и растениями; их называют всеядными (таков,в частности, и человек). В действительности пищевые цепи переплетаются такимобразом, что образуется пищевая (трофическая) сеть. В схеме пищевой сети могутбыть показаны только некоторые из многих возможных связей, и она обычновключает лишь одного или двух хищников каждого из верхних трофических уровней.Такие схемы иллюстрируют пищевые связи между организмами в экосистеме и служатосновой для количественного изучения экологических пирамид и продуктивностиэкосистем.
6. Экологические пирамиды.
6.1. Пирамиды численности.
Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и дляграфического представления этих взаимоотношений удобнее использовать не схемыпищевых сетей, а экологические пирамиды. При этом сначала подсчитывают числоразличных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическимуровням. После таких подсчетов становится очевидным, что численность животныхпрогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня кпоследующим. Численность растений первого трофического уровня тоже нередкопревосходит численность животных, составляющих второй уровень. Это можноотобразить в виде пирамиды численности.
Для удобства количество организмов на данном трофическом уровне можетбыть представлено в виде прямоугольника, длина (или площадь) которогопропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (или в данномобъеме, если это водная экосистема). На рисунке показана пирамида численности,отображающая реальную ситуацию в природе. Хищники, расположенные на высшемтрофическом уровне, называются конечными хищниками.
/>/>/>Четвертыйтрофический уровень Третичныеконсументы
/>/>Третийтрофический уровень Вторичные консументы
/>/>Второйтрофический уровень Первичные консументы
/>Первый трофический Первичные продуценты
уровень
6.2. Пирамиды биомассы.
Неудобств, связанных с использованием пирамид численности, можно избежатьпутем построения пирамид биомассы, в которых учитывается суммарная массаорганизмов (биомассы) каждого трофического уровня. Определение биомассывключает не только учет численности, но и взвешивание отдельных особей, так чтоэто более трудоемкий процесс, требующий больше времени и специальногооборудования. Таким образом, прямоугольники в пирамидах биомассы отображаютмассу организмов каждого трофического уровня, отнесенную к единице площади илиобъема.
При отборе образцов — иными словами, в данный момент времени- всегдаопределяется так называемая биомасса на корню, или урожай на корню. Важнопонимать, что эта величина не содержит никакой информации о скорости образования биомассы (продуктивности) или ее потребления; иначе могутвозникнуть ошибки по двум причинам:
1. Еслискорость потребления биомассы (потеря вследствие поедания) примерносоответствует скорости ее образования, то урожай на корню не обязательносвидетельствует о продуктивности, т.е. о количестве энергии и вещества,переходящих с одного трофического уровня на другой за данный период времени,например за год. Например, на плодородном, интенсивно используемом пастбищеурожай трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на менее плодородном, но мало используемом для выпаса.
2. Продуцентомнебольших размеров, таким, как водоросли, свойственна высокая скоростьвозобновления, т.е. высокая скорость роста и размножения, уравновешеннаяинтенсивным потреблением их в пищу другими организмами и естественной гибелью.Таким образом, хотя биомасса на корню может быть малой по сравнению с крупнымипродуцентами (например, деревьями), продуктивность может быть не меньшей, таккак деревья накапливают биомассу в течение длительного времени. Иными словами,фитопланктон с такой же продуктивностью, как у дерева, будет иметь намногоменьшую биомассу, хотя он мог бы поддержать жизнь такой же массы животных.Вообще популяции крупных и долговечных растений и животных обладают меньшейскоростью обновления по сравнению с мелкими и короткоживущими и аккумулируютвещество и энергию в течение более длительного времени. Зоопланктон обладаетбольшей биомассой, чем фитопланктон, которым он питается. Это характерно дляпланктонных сообществ озер и морей в определенное время года; биомассафитопланктона превышает биомассу зоопланктона во время весеннего «цветения»,но в другие периоды возможно обратное соотношение. Подобных кажущихся аномалийможно избежать, применяя пирамиды энергии.
7. Абиотический компонент экосистемы
Абиотический, т.е. неживой, компонент экосистемы подразделяется наэдафические (почвенные), климатические, топографические и другие физическиефакторы, в том числе воздействие волн, морских течений и огня.
7.1. Эдафические факторы.
Наука о почвах называется почвоведением. Уже в ранних работахподчеркивалось значение почвы как источника питательных веществ для растений.Хотя мы включили почву в раздел об абиотических факторах, правильнее считать ееважнейшим связующим звеном между биотическими и абиотическими компонентаминаземных экосистем. Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных породземной коры. В состав почвы входят четыре важных структурных компонента:минеральная основа (обычно 50-60% общего состава почвы), органическое вещество(до 10%), воздух (15-20%) и вода (25-35%).
Минеральный скелет почвы – это неорганический компонент, который образовалсяиз материнской породы в результате ее выветривания. Минеральные фрагменты,образующие вещество почвенного скелета различны – от валунов и камней допесчаных крупинок и мельчайших частиц глины. Скелетный материал обычнопроизвольно разделяют на мелкий грунт (частицы менее 2 мм) и более крупныефрагменты. Частицы меньше 1 мкм в диаметре называют коллоидными. Механические ихимические свойства почвы в основном определяются теми веществами, которыеотносятся к мелкому грунту.
Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов,их частей (например, опавших листьев), экскретов и фекалий. Мертвыйорганический материал используется в пищу совместно детритофагами, которые егопоедают и таким образом способствуют его разрушению, и редуцентами (грибами ибактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиесяорганические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения –аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал,- получило название гумуса. Цвет гумуса варьирует от темно-бурого до черного. Вхимическом плане это очень сложная смесь изменчивого состава, образованнаяорганическими молекулами различных типов; в основном гумус состоит из фенольныхсоединений, карбоновых кислот и сложных эфиров жирных кислот. Гумус, подобноглине, находится в коллоидном состоянии; отдельные частицы его прочно прилипаютк глине и образуют глино-гумусовый комплекс. Также как и глина, гумус обладаетбольшой поверхностью частиц и высокой катионообменной способностью. Этаспособность особенно важна для почв с низким содержанием глины. Анионы в гумусе– это карбоксильные и фенольные группы. Благодаря своим химическим и физическимсвойствам, гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способностьудерживать воду и питательные вещества.
7.2. Климатические факторы.
7.2.1. Свет
Свет необходим для жизни, так как это источник энергии для фотосинтеза,однако есть и другие аспекты его воздействия на живые организмы. Интенсивностьсвета, его качество (длина волны, или цвет) и продолжительность освещения(фотопериод) могут оказывать различное влияние.
Необходимость света для растений существенно влияет на структурусообществ. Распространение водных растений ограничено поверхностными слоямиводы. В наземных экосистемах в процессе конкуренции за свет у растенийвыработались определенные стратегии, например быстрый рост в высоту,использование других растений в качестве опоры, увеличение поверхности листьев.
7.2.2. Температура
Главным источником тепла является солнечное излучение; им могут бытьтакже геотермальные источники, но они играют важную роль только в немногихместообитаниях.
Температура, так же как интенсивность света, в большой мере зависит отгеографической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Однако частовстречаются и узколокальные различия в температуре; это в особенности касаетсямикроместообитаний, обладающих собственным микроклиматом. Растительность тожеоказывает некоторое влияние на температуру. Например, иная температура бываетпод пологом леса или в меньшей степени внутри отдельных групп растений, а такжепод листьями отдельного растения.
7.2.3. Влажность и соленость.
Вода необходима для жизни и может быть важным лимитирующим фактором вназемных экосистемах. Вода поступает из атмосферы в виде осадков: дождя, снега,дождя со снегом, града или росы. В природе происходит непрерывный круговоротводы – гидрологический цикл, от которого зависит распределение ее наповерхности суши. Наземные растения поглощают воду главным образом из почвы.Быстрый дренаж, небольшое количество осадков из почвы, сильное испарение илисочетание всех этих факторов могут приводить к иссушению почв, а при изобилии,напротив, возможно их постоянное переувлажнение. Таким образом, количество водыв почве зависит от водоудерживающей способности самой почвы и от баланса междуколичеством выпадающих осадков и совместным результатом испарения итранспирации. Испарение происходит как с поверхности влажной растительности,так и с поверхности почвы.
8. Вывод. Рациональное использование экосистем.
«Получение урожая» означает изъятие из экосистемы тех организмов или ихчастей, которые используются в пищу (или для иных целей). При этом желательно,чтобы экосистема производила пригодную для пищи продукцию наиболее эффективно.Это может быть достигнуто путем повышения урожайности культуры, уменьшениязаболеваемости и помех со стороны других организмов или использования культуры,более приспособленной к условиям данной экосистемы.
Изучая продуктивность экосистем, мы имеем дело с потоком энергии,проходящих через ту или иную экосистему. Энергия поступает в биотическийкомпонент экосистемы первичных продуцентов. Скорость накопления энергиипервичными продуцентами в форме органического вещества, которое может бытьиспользовано в пищу, называется первичной продукцией. Это важный параметр, таккак им определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы,а значит, и количество (биомасса) животных организмов, которые могутсуществовать в экосистеме.