Общие закономерности взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей средой

Семинар 2. Общие закономерности взаимодействия живых  организмов между  собой и с окружающей средой.

1. Общие закономерности взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей средой.

    ЭКОЛОГИЯ  (греч. oikos — дом, местообитание, убежище, жилище; logos — наука) — термин, введенный в научный оборот Геккелем (1866), определявшем Э. как науку об экономии природы, образе жизни и внешних жизненных отношений организмов друг и другом. "Под экологией, — писал Геккель, — мы понимаем общую науку об отношениях организмов с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все "условия существования". Они частично органической, частично неорганической природы, но как те, так и другие имеют весьма большое значение для форм организмов, т.к. они принуждают их приспосабливаться к себе. К неорганическим условиям существования во-первых, относят физические и химические свойства их местообитаний — климат (свет, тепло, влажность и атмосферное электричество), неорганическая пища, состав воды и почвы и т.д. В качестве органических условий существования мы рассматриваем общие отношения по всем остальным организмам, с которыми он вступает в контакт и из которых большинство содействует его пользе или вредит". Такая достаточно четкая дефиниция предмета Э. способствовала ее широкому признанию, поскольку фиксировала внимание на внешних особенностях взаимосвязи организмов и среды их обитания.

    В дальнейшем в исследованиях по Э. уделялось  внимание изучению реакции живых  организмов на различные факторы  окружающей среды, экстремальным значениям  этих факторов, совместимых с жизнью, смене растительного покрова  в отдельных регионах и др. И  только, пожалуй, в книге Ч.Элтона "Экология животных" (1930) закладываются теоретические основы Э. Он определяет Э. как науку об естественной истории, которая изучает широкий круг вопросов, начиная от проблем патогенеза клеток и органов, соотношения эволюции и адаптации, и включая проблемы социологии (теория народонаселения). Главная задача экологических исследований сводится при этом к изучению распространения генотипических вариаций в популяции и рассмотрению изоляции данной формы в процессе образования нового вида. Особое внимание обращается на рассмотрение вопросов формирования адаптации и достижения целесообразности строения и поведения организмов, роли естественного отбора и различных форм борьбы за существование в процессе видообразования. Рассмотрение основных проблем Э. в контексте эволюционных идей послужило Ч.Элтону основой для разработки теоретических аспектов Э. В последующих работах многочисленных экологов закладывается не менее значимая программа эколого-эволюционных исследований, в которой проводится анализ видовых приспособлений на основе строения и функций органов животного, раскрываются сложные взаимоотношения между организмами и средой их обитания, устанавливаются их специфические отношения.

    Широкое использование методов математического  анализа и количественного учета, акцент на изучение популяционного уровня, изучение совокупности экологических  связей и отношений, интегративный  характер обобщений, содержащихся в  работах экологов, послужили теоретической  основой для дальнейшего развития Э. Классические исследования многих авторов  способствовали разработке проблем  эволюционной экологии, которая синтезирует  в себе множество эмпирических данных о различных компонентах биосферы и формах ее взаимодействия с биотическими, абиотическими и антропогенными факторами. Сложность объекта исследования Э., обращение к ее проблемам специалистов различного профиля, исключительная актуальность ее проблем для жизни людей определили лидерство данной науки среди других наук. "Соединение этой чрезвычайной сложности с многогранным физическим окружением, превращает экологию в науку, охватывающую чрезвычайно широкий круг вопросов. Нет другой такой дисциплины, которая искала бы объяснений для столь многообразных явлений и на столь большом числе разных уровней. Как следствие этого экология вобрала в себя некоторые аспекты многих наук, например, физики, химии, математики, оперирования с вычислительной техникой, географии, климатологии, геологии, океанографии, экономики, социологии, психологии и антропологии" (Э.Пианка). Не случайно поэтому отдельные авторы, подчеркивая интегративный характер Э., определяют ее как науку о структуре и функциях природы. "Экология, возникшая более 100 лет тому назад как учение о взаимосвязи организма и среды, на наших глазах трансформировалась в науку о структуре природы, науку о том, как работает живой покров Земли в его целостности. Экология на наших глазах становится теоретической основой поведения человека индустриального общества в природе" (С.С.Шварц). Разумеется, столь расширенное понимание Э. скорее отражение контуров будущего данной науки. К настоящему времени достаточно четко разработаны представления о ней как о науке, изучающей закономерности взаимодействия живых организмов с окружающей средой.

    Среди имеющихся определений Э. она  представлена как относительно самостоятельная  биологическая дисциплина, предметная сфера которой имеет вполне определенное содержание. Э. — наука, "изучающая  условия существования живых  организмов и взаимосвязи между  организмами и окружающей средой" (Р.Дажо). "Экология, — отмечает Ю.Одум, — наука об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде, наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания". Во всех приведенных определениях так или иначе обращается внимание на то, что Э. — это наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов с окружающей средой, наука, исследующая структуру, динамику и историческое развитие надорганизменных систем, видов, биогеоценозов и биосферы в целом. Следовательно, предметом современной Э. правомерно считать изучение закономерностей взаимодействия надорганизменных систем (популяций, видов, биогеоценозов и биосферы в целом) с окружающей средой, изучение энергетики данных макросистем, их развитие во времени и пространстве. В современной Э. выделяют три основных раздела: факториальная Э., динамика популяций и биогеоценология. Факториальная Э. изучает воздействие различного рода факторов на живые организмы, которые оказывают на них прямое или косвенное влияние. В качестве экологического фактора выступает любой элемент окружающей среды, оказывающий непосредственное влияние на живые организмы, а также на отношения между ними. Обычно выделяют три основных группы факторов — абиотические, биотические и антропогенные. Абиотические факторы представляют собой совокупность условий неорганической природы, к которым эволюционно приспособились живые организмы. К их числу относятся климатические и химические условия, температура, давление, влажность, солнечная радиация, свет, почва, состав атмосферы и т.п. Биотические факторы — это совокупность влияний одних организмов на другие, обусловленные взаимодействиями между живыми организмами и их сообществами.

    Данное  влияние может носить как непосредственный, так и опосредованный характер через  воздействие на условия неорганической природы. Хищничестве, паразитизм, конкуренция, нейтрализм и др. — все это примеры взаимных отношений между организмами. Антропогенные факторы — это различного рода факторы, вызванные и обусловленные человеческой деятельностью. Динамика популяций или популяционная Э. занимается изучением законов динамики численности, законов становления и саморегуляции популяций как элементарных форм существования вида. Третьим разделом современной Э. является биогеоценология (Э. сообществ, изучение экосистем), осмысливающая закономерности становления, развития и нормального функционирования экологических систем. Биогеоценоз — это группировка определенного видового состава, обладающая наличием взаимозависимостей и занимающих определенное пространство. Для каждого биогеоценоза присущ определенный по объему и составу круговорот вещества и энергии, обеспечивающий относительно длительное сосуществование основных компонентов с биокосными факторами, благодаря чему поддерживается постоянство жизни. Взаимодействие между компонентами является важнейшим механизмом поддержания целостности и устойчивости биогеоценозов. Управление ими в интересах человека базируется на знании закономерностей функционирования биогеоценозов, что имеет исключительно важное значение в современных условиях. 

2. Поток энергии и круговорот веществ в биологических  системах.

     Организмы в экосистеме связаны общностью  энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания  жизни. Главным источником энергии  для подавляющего большинства живых  организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые  растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне

     Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.

     Готовые органические вещества используют для  получения и накопление энергии  гетеротрофы, или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.

     Особую  группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.

     3)Пищевые цепи.

     Пищева́я (трофи́ческая) цепь — ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом отношениями: пища — потребитель.

     Организмы последующего звена поедают организмы  предыдущего звена, и таким образом  осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80—90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4—5.

Структура пищевой цепи

     Пищевая цепь представляет собой связную  линейную структуру из звеньев, каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища — потребитель». В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, например, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой группы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из этой группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуцентами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Организмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других организмов.

     Каждый  организм обладает некоторым запасом  энергии, то есть можно говорить о  том, что у каждого звена цепи есть своя потенциальная энергия. В процессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену до 80-90 % теряется в виде теплоты. Данный факт ограничивает длину цепи питания, которая в природе обычно не превышает 4-5 звеньев. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального.

Трофическая сеть

     Обычно для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев, связанных с ним отношением «пища — потребитель». Так, траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру — трофическую сеть.

Трофический уровень

     Трофический уровень — условная единица, обозначающая удалённость от продуцентов в трофической цепи данной экосистемы.

     В некоторых случаях в трофической  сети можно сгруппировать отдельные  звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают  для следующего уровня только в качестве пищи. Такая группировка называется трофическим уровнем.

Типы  пищевых цепей

Существует 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.