Основы биогеоценологии

Введение

На Земле существуют совершенно различные типы местообитаний. Эти местообитания достаточно четко выражены и довольно на большом протяжении достаточно однородны. Эти местообитания называются биотопами. Биотоп, по площади, может быть более или менее обширным. Он характеризуется присущими ему физическими и химическими условиями. Примерами биотопов будут озера, пустыни, еловый лес, луг и т.д., характеризующиеся относительной однородностью. В характеристику биотопа входят не только физические и химические особенности среды, но и растительность. Растения оказывают глубокое воздействие на среду. Растительная масса во много раз превышает массу животных и гораздо сильнее изменяет окружающие физические и химические условия. Биотоп обозначает неорганическую среду, и это среда часто преобразовывается вследствие жизнедеятельности населяющих ее видов, особенно растительных.

Совокупность живых организмов, населяющих биотоп, образует биоценоз. Биоценоз состоит из популяций более или менее значительного числа видов. Набор видов тем шире, чем дальше существует данное население и чем благоприятнее среда.

В биоценоз входит вся масса животных, растений и микроорганизмов. Виды, образующие биоценоз, связаны друг с другом взаимозависимостью. Биоценоз находится в непосредственной зависимости от экологических факторов среды. Биоценозы бывают устойчивые и циклические. Устойчивые биоценозы сохраняются в течение нескольких десятилетий и более. Циклические — быстро изменяются. Особи биоценоза размножается в своем местообитании, т.е. самом биоценозе.

Целью данного реферата является рассмотрение и раскрытие темы биогеоценологии.

 

Понятия «биогеоценоз», «биотип», «экосистема»

Понятие “экосистема” введено английским ботаником А. Тенсли (1935), который обозначил этим термином любую совокупность совместно обитающих организмов и окружающую их среду.

По современным представлениям, экосистема как основная структурная единица биосферы — это взаимосвязанная единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания, или уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды. В этом определении подчеркнуто наличие взаимоотношений, взаимозависимости, причинно-следственных связей между биологическим сообществом и абиотической средой, объединение их в функциональное целое. Биологи считают, что экосистема — совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории, вместе с окружающей их неживой средой.

В.Н. Сукачевым (1972) в качестве структурной единицы биосферы предложен биогеоценоз. Биогеоценозы — природные образования с четкими границами, состоящие из совокупности живых существ (биоценозов), занимающих определенное место. Для водных организмов — это вода, для организмов суши — почва и атмосфера.

Понятия “биогеоценоз” и “экосистема” до некоторой степени однозначны, но они не всегда совпадают по объему. Экосистема — широкое понятие, экосистема не связана с ограниченным участком земной поверхности. Это понятие применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонентов, где происходит внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Так, к экосистемам относятся капля воды с микроорганизмами, аквариум, горшок с цветами, аэротенк, биофильтр, космический корабль. Биогеоценозами же они не могут быть. Экосистема может включать и несколько биогеоценозов (например, биогеоценозы округа, провинции, зоны, почвенно-климатической области, пояса, материка, океана и биосферы в целом). Таким образом, не каждую экосистему можно считать биогеоценозом, тогда как всякий биогеоценоз является экологической системой.

Экосистемы, измененные деятельностью человека, называют агроэкосистемами (полезащитные лесные полосы, поля, занятые сельскохозяйственными культурами, сады, огороды, виноградники и др.). Их основой являются культурные фитоценозы — многолетние и однолетние травы, зерновые и другие сельскохозяйственные культуры. Они получают дополнительную энергию в виде обработки почвы, внесения удобрений, поливных вод, пестицидов и от других мелиорации, что существенно преобразует почвы, изменяет видовой состав, структуру флоры и фауны. В результате взамен устойчивых экосистем формируются менее устойчивые.

Дотации энергии новым агроэкосистемам, возможности мелиорации природных экосистем должны основываться на нормах соотношения пашни, лугов, леса и вод в соответствии с почвенно-климатическими и хозяйственными условиями, а также на законах, правилах и принципах экологии.

Пищевые цепи и экологические пирамиды

Внутри экологической системы органические вещества создаются автотрофными организмами (например, растениями). Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другие животные. Такая последовательность называется пищевой цепью; каждое звено пищевой цепи называется трофическим уровнем (греч. trophos «питание»).

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче.

 

Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами. Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).

 

В схемах пищевых цепей каждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённого типа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети.

Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах).

В пирамидах численности дерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.

Пирамиды биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутых пирамид. Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид – пирамид энергии. Они показывают количество энергии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы. Так, доля энергии, проходящей через почвенных бактерий, несмотря на их ничтожную биомассу, может составлять десятки процентов от общего потока энергии, проходящего через первичных консументов.

Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью, а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью. ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.

Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

Динамика экосистем

Динамика биогеоценозов является основным свойством экосистемы. Например, заброшенный участок Земли сначала завоевывают эфемеры и эфемероиды, затем многолетние травы, кустарники и наконец древесная растительность.

Любой биоценоз зависит от своего биотопа, и наоборот биотоп находится под влиянием биоценоза. Все экологические факторы подвержены изменениям, поэтому развитие биоценозов оказывается совершенно неизбежным явлением. В каждом конкретном случае оно происходит по-разному.

Влияние биотопа на биоценоз называется акцией. Под действием абиотических факторов происходит адаптация организмов, появление новых видов, их сохранение или исчезновение также зависит от экологических факторов. Все эти явления взаимосвязаны. Влияние биоценоза на биотоп называется реакцией. Водоросли, лишайники, мхи поселяются на самых различных горных породах. Корни высших растений сильно изменяют структуру горных пород, почвы. Животные также сильно изменяют строение биотопа. Например, роющие животные перемещают почвы до большой глубины. Антропогенные воздействия сильно меняют общий облик и строение биотопа. Интенсивность использования пастбищ приводит к уничтожению целых биоценозов.

Накопление мертвых остатков живых веществ сильно меняет геохимические процессы в биотической среде. Биоценозы создает микроклимат, меняют экологические условия.

Организмы своими взаимодействиями также изменяют структуры биоценоза и биотопа. Это явление называется коакция.

Таким образом, развитие или динамика биоценоза происходит главным образом основными экологическими факторами, т.е. динамика биоценоза и биотопа происходит под влиянием климатических, геологических, эдафических и биотических факторов. При этом в современных условиях огромное влияние на динамическое развитие биоценозов оказывает деятельность человека. Особенно антропогенно-техногенное воздействие на биоценозы создают иногда катастрофические явления.

Освоение живыми организмами новых территорий называют первичными сукцессиями. В процессе развития создается устойчивый биоценоз. Стабильный биоценоз остается неизменным в течение определенного времени. Под действием катастрофических явлений и экологических факторов происходит изменение биоценозов и их биотопа. Любой биоценоз в процессе развития обновляется. Это явление называется первичной сукцессией.

Вторичной сукцессией называется повторное заселение организмами территорий после катастрофических явлений.

Экологическая сукцессия — это закономерный процесс, результаты которого можно предвидеть; экологическая сукцессия происходит в результате взаимодействия организмов и их сообществ. В результате экологической вторичной сукцессии образуется устойчивый биоценоз и этот вторичный биоценоз отличается высокой продуктивностью, богатым видовым составов. Биоценоз вторичной сукцессии устойчив на внешние экологические факторы и находится в состоянии гомеостаза.

Таким образом, сукцессия происходит в результате изменений сообществом физической среды и взаимодействий конкуренции. Сукцессии бывают аутогенной и аллогенной. Аутогенная сукцессия происходит в результате изменений окружающей среды, вызванных самими организмами. Под действием внешних экологических факторов происходит аллогенные сукцессии. Под воздействием аллогенных сукцессий происходит не только стабилизация экосистемы, но и некоторые экосистемы заполняются органическими веществами и сильно изменяются.

Сукцессия

В каждой данной области наблюдается закономерная последовательность ценозов, которые сменяют друг друга, следуя за изменениями условий среды, что приводит в конечном счете к установлению стабильного ценоза — климаксу. Климат и другие физические факторы безусловно играют в ней известную роль, однако в какой-то мере направление сукцессии определяется характером самого биоценоза, так как деятельность каждого сообщества приводит к тому, что та или иная местность становится мало подходящей для видов, входящих в состав данного биоценоза и более подходящей для других видов.

Для биоценозов характерна ярко выраженная вертикальная зональность. В лесном фитоценозе можно различить несколько последовательных ярусов растительности: мхи и травы, кустарники, низкорослые деревья и высокие деревья. Каждому из этих ярусов свойственна определенная фауна; такие подвижные животные, как птицы, приурочены к определенным ярусам; например, одни птицы живут только в кустарниках, а другие — только на вершинах высоких деревьев.

Естественные экологические факторы окружающей среды оказывают большое влияние на расселение растений и животных, на процессы обмена веществ, роста, воспроизводства, формирования морфологических признаков, на структуру популяций и биогеоценозов. Влияние экологических факторов среды на организмы определяется точкой приложения экологических факторов к обменным процессам.

Организм и среда, настолько зависимые явления, что невозможно рассматривать отдельно эволюцию жизни и эволюцию окружающей среды. Это единая система, что в процессах ее существования вырабатываются характерные адаптации у организмов к среде, включаемые в число фенотипических реакций, обогащающих систему жизнь-среда. В этой системе устанавливаются по отношению к экологическим факторам среды глубокие метаболические связи. Эти связи любого организма со средой в биогеоценозе происходят не только через метаболизм, но и зависят от объединения организмов биоценозов.

Биогеоценозы образуют системы, в которых они находятся в связи друг с другом, выражающейся в переносе от одного к другому энергии, веществ, информации. Некоторые из них достаточно автономны, иные зависят от других. Термин экосистема предложен английским геоботаником Тенсли и немецким гидробиологом Вальтереком. Экосистема и биогеоценоз идентичные представления. Однако экосистема понимается как безразмерное образование.

Экосистема более широкое понятие, чем биогеоценоз. Экосистемой может быть не только биогеоценоз, но и зависимые от биогеоценозов природные биокосные системы, в которых организмы представлены лишь гетеротрофами, а также такие, созданные человеком биокосные системы, как. аквариум, зернохранилище с населяющими его организмами и др.

Озеро является экосистемой, имеющей четкую границу, с населяющими водными организмами. Таким образом, физическая среда, или биотоп вместе с населяющими его видами, составляющими биоценоз, образуют экосистему. Экосистемы представляют собой микросом видов, взаимодействующих друг с другом в относительно замкнутом круговороте.

Экосистемы сильно отличаются по протяженности. Экосистемы изменяются как в пространстве так и во времени.

В экосистему входят и организмы и неживая среда — компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга и необходимые для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле.

Факторы устойчивости экосистемы

Организм человека испытывает влияние факторов окружающей среды, причем загрязнение воздуха, водоемов, почв и растений представляет большую опасность для здоровья. В деле создания благоприятных условий для жизни и здоровья населения определенную роль должны сыграть санитарно-гигиенические нормативы и критерии. Так, для санитарной оценки степени загрязнения окружающей среды используют предельно допустимые концентрации (ПДК). Есть несколько видов ПДК.

Предельно допустимые концентрации загрязняющего вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКр, мг/м3) — концентрация вредного вещества в воздухе, не вызывающая у человека при ежедневном вдыхании в течение 8 ч или при другой продолжительности (не более 41 ч в неделю) в течение рабочего стажа заболеваний, отклонений в состоянии здоровья.

Предельно допустимая среднесуточная концентрация загрязняющего (вредного) вещества в воздухе населенных мест (ПДКсс, мг/м3) — концентрация в воздухе населенных пунктов, не оказывающая на человека прямого или косвенного вредного влияния при неопределенно долгом круглосуточном вдыхании.

Предельно допустимая максимальная разовая концентрация загрязняющего (вредного) вещества в воздухе населенных мест (ПДК, р., мг/м3) — концентрация, не вызывающая рефлекторных реакций в организме человека.

Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу (ПДВ, мг/м3) — максимально допустимые количества загрязняющих веществ, выделяемых источниками загрязнения в единицу времени, установленные с учетом, что они не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК для человека, растений и животных.

Предельно допустимые концентрации загрязняющего (вредного) вещества в воде водоемов (ПДК, мг/л) — концентрация химического вещества в воде, не оказывающая вредного воздействия на организм человека при различных видах употребления ее (для питья, приготовления пищи, гигиенических целей, для отдыха).

Биологические показатели (БПК и ХПК) дополнительно характеризуют воду как источник питья и среду обитания. БПК (биологическая потребность в кислороде) — количество кислорода, использованного в биохимических процессах окисления органических веществ, за исключением нитрификации, за 2, 5, 8, 10 и 20 сут, мг О2 на 1 мг вещества. ХПК (химическая потребность в кислороде) — количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг О2 на 1 мг вещества.

Медиками-гигиенистами определены ПДК тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов, радионуклидов в почвах по показателям их вредности. Нормирование подразделяют на транслокационное (переход нормируемого элемента в растение), миграционное воздушное (переход в воздух), миграционное водное (переход в воду) и общесанитарное, гигиеническое (влияние на самоочищающую способность почв и почвенный микробиоценоз).

Заключение

Академик В.Н.Сукачев дает следующее определение: “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 веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии”. По Сукачеву, биогеоценоз — биокосная система, состоящая из косной среды — экотопа и организмов, образующих биогеоценоз. Экотоп — состоит из климатопа (атмосферы) и эдафотопа (почвенно-грунтовых условий). В состав биоценоза входят: растительность (фитоценоз), животное население( зооценоз) и микроорганизмы( микробиоценоз). Биоценозы, входящие в состав биогеоценозов, состоят из двух функционально различных трофических групп организмов: автотрофов и гетеротрофов.

Любой биоценоз имеет свою собственную структуру, которая определяется расположением особей разных видов относительно друг друга, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Границы биоценозов определяются в горизонтальном направлении границами свойственных им фитоценозов.

Несмотря на то, что каждый биоценоз может состоять из сотен и тысяч различных видов растений и животных, большинство этих видов имеют сравнительно небольшое значение и лишь несколько видов вследствие размеров их представителей, их численности и их образа жизни являются основными регулирующими факторами. В наземных биоценозах такими доминантными видами служат обычно растения, так как они обеспечивает пищу и убежище многим другим видам.