Занятие 8

 

Тема 8. Основы экологии. Сообщества и экосистемы

 

Экологические факторы ­ это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Экологические факторы делят на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы ­ компоненты неживой природы – делят на физические, химические и эдафические. К ним относят: климатические (свет, температура, влажность, ветер, давление и др.), геологические (землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение и др.), орографические (рельеф местности), эдафические, или почвенно-грунтовые (плотность, структура, рН, гранулометрический состав, химический состав и др.), гидрологические (вода, течение, соленость, давление и др.).

Биотические факторы ­ воздействие живых организмов друг на друга (взаимодействие между особями в популяциях и между популяциями в сообществах). При этом взаимоотношения могут быть внутривидовыми и межвидовыми.

Антропогенные факторы ­ деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.). При этом различается воздействие человека как биологического организма и его хозяйственная деятельность (техногенные факторы).

Определенная совокупность взаимосвязанных и совместно обитающих живых организмов, относящихся к разным видам, составляют биоценоз. Его составляют: фитоценоз (совокупность растений на определенной территории), зооценоз, микробиоценоз. Однородное природное жизненное пространство, занимаемое биоценозом, называется биотопом (его составляют климатоп, эдафотоп, гидротоп).

Природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии, называется экосистемой. Экосистемами являются океан, море, озеро, луг, болото. Экосистема обладает признаком безразмерности, ей не свойственны территориальные ограничения. Под экосистемой обычно понимают совокупность компонентов биотической (живые организмы) и абиотической среды, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты.

Жизнедеятельность экосистемы и круговорот веществ в ней возможны при условии постоянного притока энергии. Круговорот веществ в экосистеме осуществляется живыми организмами экосистемы и называется биологическим круговоротом. Он включает поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, в которых эти элементы превращаются в новые сложные соединения, и возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности. Важнейшими являются круговороты, в которые вовлечены вода и основные биогенные химические элементы – С, Н,О, N, P, S, Fe, Mg, Ca, Na, Cu и др.

Особая экосистема – биогеоценоз. По определению основоположника биогеоценологии академика В.Н. Сукачева, биогеоценоз – это однородный участок земной поверхности, где природные явления (атмосфера, горная порода, почва, растительность и др.) имеют однотипный характер взаимодействия между собой и объединены обменом веществ в единый природный комплекс.

Взаимодействие организмов, занимающих определенное место в биологическом круговороте, называется трофической структурой биоценоза. Перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам, который происходит в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью (цепью питания, трофической цепью). Совокупность организмов, объединенных одним типом питания и занимающих определенное положение в пищевой цепи, носит название трофический уровень. Первый трофический уровень занимают автотрофы – продуценты; второй – растительноядные животные (фитофаги, консументы первого порядка); третий – хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы второго порядка); вторичные хищники (консументы третьего порядка) и паразиты вторичных консументов образуют четвертичный трофический уровень.

Трофическую структуру биоценоза и экосистемы обычно отображают графическими моделями в виде экологических пирамид (чисел, биомасс и энергии).

 

Работа 1. Закономерности действия экологических

факторов

На рис. 1 приведена экограмма зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки от двух факторов: влажности и температуры.

Задание 1. Используя рисунок 1, определите, какой фактор будет ограничивающим в точке с координатами:

1)  влажность - 18%; температура - 30°С;

2)влажность - 75%; температура - 2°С;

3)влажность - 70%; температура - 37°С.

        Задание 2. Назовите диапазон оптимальной для вида: 1) температуры; 2) влажности.

Задание 3.  Назовите пределы выносливости вида (диапазон между критиче­скими точками) по температуре и влажности.

 

t0, C
40
35
30
25
20
15
10
	20	40	60	80	90
Относительная влажность, %

 

 

Рис. 13. Экограмма зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки от влажности и температуры

 

Работа 2. Типы взаимоотношений между организмами

Составить таблицу, выбрав предлагаемые понятия и соответствующие им определения типов взаимодействия (табл. 13) с соответствующими примерами (А-З).

Таблица 13. Типы взаимоотношений между организмами

Понятие	Определение	Обозначение популяций	Примеры
Нейтрализм		0       0
Конкуренция		-        -
Мутуализм (симбиоз)		+       +
Аменсализм		-        0
Комменсализм		+       0
Комменсализм (нахлебничество)		+       0
Хищничество		-        +
Паразитизм		-        +

А. Взаимодействие особей, последствия которого для одних отрицательны, а для других благоприятны.

Б. Взаимодействие особей, при котором одни используют остатки пищи других, не причиняя им вреда.

В. Взаимовыгодное взаимодействие двух или нескольких особей.

Г. Взаимодействие особей, при котором одни предоставляют убежища другим и это не приносит хозяину ни вреда, ни пользы.

Д. Совместное обитание двух особей, непосредственно не взаимодействующих между собой.

Е. Взаимодействие особей, имеющих сходные потребности в одних и тех же ограниченных ресурсах, что приводит к снижению их жизненных показателей.

Ж. Взаимодействие организмов, при котором одни питаются живыми тканями или клетками других и получают от них место постоянного или временного обитания.

З.  Тип взаимоотношений особей, при котором одни поедают других.

 

Работа 3. Решение задачи

В соленых озерах Западной Европы гидробиологи обна­ружили в воде при концентрации солей 30 г/л - 64 вида животных, при концентрации 100 г/л - 38 видов, при 160 г/л - 12 видов, а при 200 г/л - 1 вид.

Задание. Постройте график зависимости числа видов животных от концентрации солей в воде озера. При какой солености жизнь в озере отсутствует?

 

Работа 4. Моделирование ритмов популяций типа «хищник-жертва»

Примечание. В работе используется модификация физической модели ритмов популяций известных под названием «хищник - жертва», созданной Дж. Т. Томпсоном и описанной в научной литературе.

Ход работы

1. Используйте для занятия плоскую шахматную доску, а также два набора плоских дискообразных одинаковых по размеру и форме фишек разного цвета. (не менее 100 штук каждого цвета). Диаметр фишки не должен превышать половины (а лучше ­ трети) стороны клетки доски. Таким образом, на одной клетке должно умещаться несколько фишек. В качестве фишек можно использовать не только фишки от настольных игр, но и пуговицы, монеты и т. п. Оптимальным вариантом является работа в парах.

2. Усвойте и запишите в тетрадь правила моделирования, т. е. правила «игры»:

1)Исходное соотношение фишек задается преподавателем (например, 10 : 20 «лис» и «зайцев» соответственно). Оно может быть разным или одинаковым для всех пар студентов.

2)в заданном исходном соотношении «хищники», или «лисы» (например, фишки черного цвета), и «жертвы», или «зайцы» (фишки белого цвета), тщательно перемешиваются и равномерно распределяются по «ареалу обитания» (игровому полю);

3)положения фишек, относящихся к двум или четырем соседним клеткам доски, корректируются перемещением фишки в одну, превалирующую клетку;

4)«лисы», попавшие на черные клетки, если там нет «зайцев», «вымирают» из-за отсутствия «пищи» (т. е. снимаются с доски);

5)«зайцы», попавшие на белые клетки, если там нет «лис», «размножаются» (т. е. удваиваются по числу);

6)«лисы», попавшие на одну клетку с «зайцами», «поедают» последних и «размножаются» (т. е. фишки «зайцев» снимаются с доски, а фишки «лис» удваиваются на занятых ими полях);

7)после выполнения всех правил игровой цикл (тайм) повторяется с использованием оставшихся фишек.

3. Выполните не менее 30 игровых циклов (таймов) с наборами фишек, каждый раз фиксируя в тетради результат очередного тайма.

4. Зарисуйте графики динамики ритмов модельной популяции. Их удобно разместить по всему тетрадному листу.

Ориентировочный вид графиков показан на рисунке. По оси ординат отложены численности, по оси абсцисс - таймы.

 

-------------------   «зайцы»    

______________  «лисы»

 

5. Проанализируйте представленные на графиках результаты. Сделайте выводы, сравнив периоды обоих ритмов и отметив чей ритм (хищников или жертв) является опережающим. Дайте теоретическое объяснение полученным эмпирическим закономерностям, отраженным в графиках.

 

Работа 5. Решение экологических задач

 

1. Постройте пищевую цепь экосистемы леса, в которой продуцентами являются древесные растения, а консументом высшего порядка – ястреб.

2. Составьте схемы пищевых цепей, включив в них перечисленные ниже организмы:

1.             травы, кролик, почвенные грабы, ягодный кустарник, жук-навозник, растительноядное насекомое, паук, воробей, ястреб.

2.             волк, лисица, сова-неясыть, уж обыкновенный, ястреб, травяная лягушка, заяц, полевка, тля, паук, божья коровка, дуб (с семенами, листьями, корой и древесиной), медуница, мухоловка, короед, дятел, муха-журчалка.

3. Зная правило 10 процентов, рассчитайте, сколько нужно травы, чтобы вырос орел весом 5 кг (пищевая цепь: трава-заяц-орел). Условно принимайте, что на каждом трофическом уровне всегда поедаются только представители предыдущего уровня.

4. Зная правило 10%, рассчитайте, сколько понадобится фитопланктона, чтобы выросла одна щука весом  10 кг (пищевая цепь: фитопланктон > зоопланктон > мелкие рыбы > окунь > щука). Условно принимается, что на каждом трофическом уровне всегда по­едаются только представители предыдущего уровня.

5. В упрощенной экосистеме африканской саванны имеется 4 компонента: растения (акации), травоядные животные (антилопы), хищники (гепарды) и падальщики (гиены). Составьте пищевую цепь. Определите, какие организмы занимают в этой экосистеме второй трофический уровень.

6. Какое количество чаек может прокормиться на участке акватории моря, на котором в год образуется 12 кг сухой массы фитопланктона? Масса чайки составляет 1 кг.