Экосистемы. Концепция экосистемы - раздел Экология, Конспект лекций по учебной дисциплине ЭКОЛОГИЯ В Основе Экологии Лежит Концепция Экосистемы. Экосистема - Основная Функциона...
В основе экологии лежит концепция экосистемы. Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Существует много разных определений этого понятия, но в основе его лежит по сути одно и то же содержание. Согласно представлениям Ю. Одума, живые организмы и их неживое окружение, неразделимо связанные друг с другом, постоянно взаимодействующие и совместно функционирующие на данном участке таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему - экосистему.
Экосистемой не является любая часть жизни, взаимодействующая с окружающей средой. Экосистема - сообщество живых организмов и среда их обитания, которые функционируют совместно, т. е. обмен вещества и энергии происходит в них во взаимной связи.
Термин "экосистема" впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли, хотя представления об экосистеме сформировались очень давно и связаны с концепцией единства организма и среды. Понятия "биоценоза" и "геобиоценоза" как целостных функциональных образований встречаются в трудах немецкого математика XIX века К. Мебиуса; позднее - русских ученых: основателя научного почвоведения В. В. Докучаева, создателя учения о лесе Г. Ф. Морозова, эколога В. Н. Сукачева.
К. началу XX века биологи стали развивать идею о том, что в природе действуют одни и те же закономерности функционирования независимо от того, какая среда рассматривается: пресноводная, морская или наземная, и пытались использовать для анализа этих закономерностей холисти-ческий подход, т. е. исходили из принципа целостности природных образований. Новое направление, которое можно назвать экологией экосистем, возникло и развивалось в связи с разработкой общей теории систем и применением системного анализа. Основоположниками этого направления считаются Дж. Е. Хатчинсон, Р. Маргалеф, К. Уатт, В. Пэттен, Г. Одум.
Что такое система? Понятие системы - одно из самых общих. Системой можно назвать совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой, т. е. любой объект, реальный или мыслимый, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образующих его частей, можно считать системой.
Части системы называют элементами системы. Элементы системы могут быть физическими, химическими, биологическими или смешанными.
Если элементы, образующие некоторую систему Y, обозначить символами х1, х2...хn, где п - число элементов, то множество Х= {х1, х2...хn}, состоящее из всех внутренних элементов, можно назвать составом системы Y.
Элементы х1, х2...хnсвязаны между собой. Связи и отношения между элементами системы называются системообразующими, так как они превращают набор элементов в целостную систему. Кроме того что эти элементы связаны между собой, они испытывают воздействие со стороны внешних относительно системы Y объектов, а также сами могут оказывать на них влияние. Например, особи популяции взаимодействуют не только между собой, но и с особями других популяций, а также с метеорологическими, гидрологическими и другими факторами. Это значит, что каждая система не только испытывает воздействие множества внешних по отношению к ней систем (S1, S2...Sk), но и сама оказывает на них воздействие. При изучении систем, избрав определенную меру интенсивности воздействия, можно установить конечное число внешних систем S1, S2...Sk , находящихся во взаимодействии с данной системой.
Множество V, состоящее из всех внешних систем, находящихся в существенной связи с данной системой Y, можно назвать непосредственной окружающей средой системыY и обозначить V={S1, S2...Sk}.
Множество связей элементов системы между собой, а также элементов системы с внешней средой называется структурой системы Y : S = {s 1...s n}, где n- число всех рассматриваемых связей, образующих структуру системы Y. С течением времени внешняя среда, состав и структура могут измениться, что можно записать следующим образом:
Функционирование системы Y - закон, по которому в зависимости от внешних факторов V(t) происходит изменение во времени ее внутренних элементов X(t) и структуры S(t).
На основании сказанного можно дать следующее определение: системой Y(t), функционирующей в окружающей среде V(t) = {S1(t)...Sk(t)}, называется объект Y(t)= Y(V(t), x(t), S(t), F), образованный элементами множеств х(t)={x1(t)...xn(t)}, которые связаны между собой и с окружающей средой определенными связями. Совокупность связей образует структуру S(t) = {s1(t)...sn(t)}. Состав и структура изменяются во времени.
Системный подход к изучению экосистем заключается в определении образующих ее составных частей и взаимодействия с ними объектов окружающей среды, в установлении структуры экосистемы и нахождении функции (закона функционирования экосистемы (F)), определяющей характер изменения компонентов экосистемы и связей между ними под действием внешних объектов.
В современной экологии для анализа экосистем используют три группы методов исследований - полевые наблюдения; эксперименты в поле и лаборатории; моделирование.
Структуру системы определяет способ взаимодействия элементов, и, что очень важно, это взаимодействие приводит к возникновению новых свойств системы, ее новых целостных характеристик.
Отличительной чертой любой системы является наличие у нее входа и выхода, причем определенное изменение входной величины влечет за собой некоторое изменение и величины выходной.
Зависимость выходной величины от входной определяется законом поведения системы. В идеальном случае этот закон может быть выражен математическим уравнением, имеющим аналитическое решение. В такое уравнение входит некоторое число постоянных или переменных параметров, характеризующих определенные свойства экосистемы.
Одно из свойств системы - иерархическая соподчиненность элементов. Так, элементарной единицей в экологии считают особь популяции, совокупность особей образует элементарную подсистему - популяцию, а совокупность популяций, выполняющих сходную функциональную роль в экосистеме, образует следующую подсистему - ассоциацию, или сообщество. В соответствии с этими элементами различают экологию популяций, экологию сообществ, экологию биоценозов. Отсюда следует, что для понимания целостных свойств экосистем важно изучение связей между образующими ее элементами, определяющих функционирование экосистемы как единого целого. Таким образом, главным критерием принадлежности к современной экологии является исследование надорганизменно-го уровня, имеющее целью найти место исследуемого явления в экосистеме. Необходимо подчеркнуть, что именно экосистема, а не сообщество, является объектом экологии.
Любая экосистема является открытой системой, т. е. она должна получать и отдавать энергию. Пределы изменений на входе и на выходе сильно варьируют и зависят от многих переменных, например, от размеров системы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних частей), интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток), сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем больше нарушено равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления), стадии и степени развития системы (молодые системы от личаются от зрелых). Так, Например, для обширной, поросшей лесом горной местности перепад между средой на входе и средой на выходе значительно меньше, чем для небольшого ручья.
Процессы, протекающие в экосистемах, являются общими для весьма различных организмов - от бактерий до млекопитающих. Внешне разнородные признаки и свойства сообществ, присущие экосистемам разных типов, можно объединить в весьма однородные функции и связи между элементами. Все особи сообщества, будучи связаны с окружающей средой функциональной связью, извлекают из нее материальные вещества и обогащают среду продуктами жизнедеятельности.
Закономерные сочетания экосистем в пределах определенной территории или акватории, характерной в том или ином отношении (например, геоморфологическом на суше или гидрологическом в водной среде), образуют систему более высокого уровня, чем экосистема - ландшафт.
Все темы данного раздела:
Тема 1. Экология в системе наук о природе. Предмет, объекты и задачи экологических наук, их роль в решении глобальных экологических проблем.
Экология - наука о структуре, закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды. Термин "э
Пространственная структура екосистем
Структура различных экосистем, например наземных и водных, в принципе сходна, хотя видовой состав и количественные характеристики трофических компонентов существенно отличаются.
Структуру
Концепция функционирования экосистемы
Термин "экосистема" введен английским ботаником А. Тенсли сравнительно недавно -в 1935 году, хотя мысль о взаимосвязи и единстве организмов и среды их обитания высказывалась еще древними
Гидросфера
В понятие гидросферы включают все типы водоемов. В ней выделяют Мировой океан, континентальные воды и подземные воды.
Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (71% п
Атмосфера
Современная атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (азота 78,09%, кислорода 20,95%, аргона 0,93%, углекислого газа 0,03%, неона 0,0018%, гелия 0,00052%, метана 0,0001
Литосфера
Литосфера - это "каменная оболочка" Земли, верхняя часть земной коры. Поверхностную часть литосферы, измельченную в процессе физического, химического и биологического выветривания
Организм как среда жизни
Постоянство внутренних параметров организма (гомеостаз) позволяет использование его другими организмами в качестве среды постоянного или временного обитания. Таким образом, живые организмы как бы с
Понятие об экологических факторах
Под экологическими факторами понимают те воздействия, свойства компонентов экосистемы и характеристики ее внешней среды, которые оказывают непосредственное влияние на характер и интенсивност
Концепция лимитирующих факторов. Закон минимума Либиха
Не все экологические факторы: свет, температура, влажность, наличие солей, обеспеченность биогенными элементами и т. д. - одинаково важны для успешного выживания организма. Взаимоотношения организм
Закон толерантности
Наравне с влиянием недостатка, "минимума" экологических факторов, негативным может быть и влияние избытка, т. е. максимума факторов, таких как тепло, свет, влага. Это показал в своих рабо
Основные экологические факторы. Солнечная радиация
Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы. Эта эволюция, по образному выражению Ю. Одума, была направлена на "укрощение" пост
Температура окружающей среды
Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов и численность популяций существенно зависят от температуры. С чем это связано и каковы причины такой
Влажность.
С точки зрения эколога вода, т. е. ее количество и качество в окружающей среде, является лимитирующим физическим фактором как в наземных, так и в водных экосистемах. Вода представляет собой ресурс,
Соленость
Водный обмен теснейшим образом связан с солевым. Он приобретает особое значение для водных организмов (гидробионтов). Для всех водных организмов характерно наличие проницаемых для воды покро
Газовый состав среды обитания
Для многих видов организмов, как бактерий, так и высших животных и растений, концентрация кислорода и двуокиси углерода, которые составляют в атмосферном воздухе 21 % и 0,03 % по объему соответстве
Биогенные элементы и факторы, лимитирующие продукцию
В наземных и водных экосистемах важнейшую роль в их продуктивности играет энергия Солнца, т. е. количество поступающей солнечной радиации - основа фотосинтеза, в результате которого автотрофами обр
Экологические ниши
Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами
Межвидовые и внутривидовые связи в экосистеме
Сосуществование различных видов и популяций в экосистеме приводит к образованию связей, в основе которых лежит питание и местообитание. Соответственно их называют трофическими и топическими. На это
Экологические ниши
Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами
Организация на популяционном уровне
Популяция - это группа особей одного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях с
Свойства популяционной группы
Плотность и численность популяции. Влияние популяции на сообщество и экосистему зависит не только от того, из каких организмов она состоит, но и от их численности (N), котор
Потенциальная скорость естественного роста популяции
Если среда не оказывает ограничивающего влияния, то специфическая скорость роста популяции для данных микроклиматических условий постоянна и максимальна. В таких благоприятных условиях скорость рос
Флуктуации численности популяции.
Флуктуация (от лат. fluctuatio) - колебание численности популяции. В случае прекращения роста популяции величина DN / Dt близка к нулю, плотность популяции обнаруживает тенденцию к флуктуаци
Механизмы изменения численности популяции
Так как природная среда непостоянна, то флуктуации численности вверх и вниз от уровня равновесия характерны для большинства популяций. Теории, объясняющие цикличность изменений плотности, можно сгр
Регуляция численности популяции
В простых по структуре экосистемах, которые подвергаются воздействию физических стрессов либо необычных или нерегулярных факторов, численность популяции зависит от погодных условий, химических загр
Типы взаимодействия между популяциями различных видов.
Теоретически взаимодействие популяций двух видов можно выразить в виде следующих комбинаций символов: 00, --,++, +0, -0, + -. Выделяют 9 типов наиболее важных взаимодействий (по Ю Одуму, 1986):
Отрицательные взаимодействия
Конкуренция (от лат. concurrentia - соперничество) - это любое антагонистическое отношение, связанное с борьбой за существование, за доминирование, за пищу, пространство и другие ресурсы меж
Положительные взаимодействия
В природе не менее важное значение, чем хищничество и другие отрицательные взаимодействия, направленные на уменьшение численности популяции, имеют ассоциации двух видов, благоприятные для обоих.
Биоценоз
Близким или даже аналогичным понятию экосистемы является понятие биоценоза. Соответственно наука, изучающая этот предмет, называется биоценологией.
Термин "биоценоз" происходит о
Биоценология
Популяции различных видов живых организмов, заселяющие общие места обитания, неизбежно вступают в определенные взаимоотношения в области питания, использования пространства, влияния на особенности
Трофическая структура биоценозов
Основная функция биоценозов - поддержание круговорота веществ в биосфере - базируется на пищевых взаимоотношениях видов. Именно на этой основе органические вещества, синтезированные автотрофными ор
Пространственная структура биоценозов
Определение биоценоза как системы взаимодействующих видов, осуществляющей цикл биогенного круговорота, предусматривает минимальный пространственный объем этого уровня биосистем. Так, неправильно го
Экологические ниши
Как уже говорилось, каждый вид представлен в биоценозе конкретной популяцией. Ее положение в составе экосистемы определяется, с одной стороны, набором требований к абиотическим условиям, а с другой
Основные формы межвидовых связей в экосистемах
Межвидовые отношения в конкретных биоценозах реализуются через сложные формы взаимодействия популяций разных видов. В основе их, как уже отмечено, лежат трофические связи, обеспечивающие осуществле
Понятие и структура биогеоценоза. Трофическая структура и продуктивность экосистем
В пределах биотической компоненты (биоценоза) рассмотрим структуру экосистемы, используя критерий питания (трофики) и пространственной организации.
Исходя из того, что одним из главных сво
Обмен вещества и энергии в экосистемах. Сети питания.
Взаимоотношения между видами разных трофических уровней образуют систему трофических цепей (цепей питания). Трофические цепи, представленные продуцентами и консументами, рассматривают как особую ст
Развитие и эволюция экосистем. Сукцессии и климакс.
Изменение видовой структуры и биоценотических процессов в экосистеме называют сукцессией экосистемы (от лат. successio - преемственность).
Понятие появилось вначале в ботанике. Наиболее су
Экологические модификации.
Сукцессия представляет собой естественный процесс развития экосистемы. В современных условиях происходит постоянный рост антропогенной нагрузки на природные экосистемы, что приводит к относительно
Эволюция биосферы
Крупномасштабные изменения, представленные вековыми сериями сменяющих друг друга на протяжении столетий экосистем, вследствие изменений климата, рельефа местности и других характеристик поверхности
Современные представления о биосфере
Структура и фунциональное строение биосферы. Биосфера - "область жизни", пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин в таком виде был
Динамика биосферы
Биогеохимические циклы. В рамках концепции биосферы деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Основной ее
Глобальные круговороты углерода и воды
В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере н
Круговорот азота
Азот, как и углерод, входит в состав атмосферного воздуха и присутствует в нем в виде молекул (Мд).
Он играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Как и кислород, азот необходим для
Круговорот фосфора
Фосфор также является элементом, необходимым для питания живых организмов, играет важнейшую роль в росте и развитии растений.
Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера,
Круговорот второстепенных элементов и пестицидов
Второстепенные элементы - это элементы, которые не представляют особой ценности для организма. Они нередко мигрируют между средой и организмами. Большинство из них принимает участие в общем осадочн
Количественная оценка биохимических циклов
При определении функции и структуры экосистемы наряду с другими факторами важное значение имеет оценка скорости обмена или переноса веществ. В последнее время в связи с развитием научно-техническог
Тема 13. Ноосфера как стадия развития биосферы. Основы концепции ноосферы
Глобальный характер взаимоотношений человека со средой его обитания привел к появлению понятия ноосферы (от греч. nouV - разум и sjaira - шар), под которой понимается "сфера взаи
Охрана и рациональное использование природных ресурсов планеты
Экологические аспекты охраны природы. Охрана воздуха от загрязнения. Охрана почв. Охрана водных ресурсов планеты. Охрана видов и экосистем, сохранение биоразнообразия. Интродукция. Биологические ме
Охрана окружающей среды
При рассмотрении этого важнейшего направления экологической науки необходимо еще раз подчеркнуть, что охрана окружающей, в том числе и природной среды представляет собой типичную инженерную научную
Охрана почв.
В Украине за последние десятилетия значительно ухудшились показатели земельного фонда. Незначительный прирост продукции земледелия достигается за счет устойчивого истощения и деградаци почв. Возрос
Охрана водных ресурсов
С экологической точки зрения охрана водных ресурсов состоит прежде всего в непосредственном обеспечении людей водой для жизни и санитарно-гигиенических нужд. Не считая огромные изменения планетарно
Охрана атмосферы
Если воду, которой издавна не хватало, называли "ресурсом жизни", то о воздухе вспомнили лишь в нашу урбанизированную эпоху. Известно, что без пищи человек может прожить несколько десятко
Охрана видов и экосистем
Охрана видов и целых екосистем необходима по многим причинам. Во-первых, биоразнообразие живых организмов, которое является следствием их длительной эволюции, составляет одно из главных условий уст
Экологические основы интродукции
Интродукция (лат. introductio - введение) - переселение видов растений и животных в места, где они раньше не жили. Например, виды пшеницы, ячменя, гороха, завезенные в Европу и
Биологические методы борьбы с вредителями
Биологические методы борьбы с вредителями - это использование живых организмов для сокращения численности видов, наносящих ущерб человеку или сельскохозяйственным животным и культурам. Таким образо
Фитомелиорация
Фитомелиорация - это процесс использования естественной преобразующей функции растительности в оптимизации наземных экосистем. Растительный покров, или автотрофный блок экосистемы, вырабатыв
Экологическая диагностика
Отдельные виды, которые отличаются строго определенными экологическими требованиями, дают возможность обнаружить специфические особенности среды. Как правило, это стенобионтные виды, которые называ
Контроль численности экономически важных видов
При эксплуатации популяций экономически значимых видов (пушные звери, дичь и т. д.) человек заинтересован в устойчивом поддержании высокой численности и продуктивности. В норме эти два параметра пр
Рекультивация промышленных земель
Задачи направленного формирования экосистем, приспособленных к особенностям антропогенного ландшафта, особенно ярко выявляются при вторичном освоении земель, вышедших из промышленного использования
Общество как компонент глобальной экосистемы. Влияние деятельности человека на окружающую среду
Хозяйственная деятельность человека обусловила повреждения и истощение естественных ресурсов, которое приводит к деформации сформированных на протяжении многих миллионов лет естественного круговоро
Демография человеческого вида
Географическое пространство экологической ниши человека занимает более ¾ площади суши (без Антарктиды) - около 105 млн. км2 и во много раз больше любого другого видового ареала на
Мировая демографическая ситуация
В XX столетии состояние окружающей среды нашей планеты неуклонно ухудшается вследствие антропогенного влияния. Люди уже не способны адаптироваться к этим быстрым изменениям. Кроме того, явилась про
Демографические проблемы Украины
На протяжении последних лет в динамике здоровья населения Украины наметился ряд отрицательных тенденций, в определенной мере связанных с неудовлетворительной экологической ситуацией. В Украине с на
Техносфера. Природно-промышленные системы и закономерности их функционирования
Техногенезом в истории цивилизации называют создание техники и технологий, создание человеком все более совершенных орудий и устройств для воздействия на окружающий мир с целью производства и потре
Экологические проблемы городов
Процесс урбанизации не ограничивается только ростом городского населения или числа и размера городов, он проявляется в увеличении роли города в жизни общества, в изменении образа жизни многих людей
Влияние окружающей естественной среды на здоровье населения
Загрязнение окружающей среды влияет на здоровье разными путями и практически может влиять через все сферы контакта человека с окружающей средой. Из этого явствует, что для человека неблагоприятным
Полевые наблюдения
Полевые наблюдения - метод непосредственного наблюдения изучаемой экосистемы или ее определенных компонентов в естественных условиях без вмешательства экспериментатора в ее состав и функционировани
Экспериментальные методы
В экологических исследованиях, как и в других биологических науках, часто применяетсяэкспериментальный метод. В отличие от пассивного наблюдения при проведении эксперимента исследователь соз
Моделирование в экологии
Метод моделирования - это построение, проверка, исследование моделей и интерпретация полученных результатов.
Сущность моделирования состоит в том, что наряду с системой (оригиналом), котор
Проблематика и основные направления экологических исследований
Борьба с различными формами загрязнения биосферы - проблема, лишь условно относимая к экологическим. Разработка различного рода очистных сооружений - задача чисто техническая и во многом решенная,
Новости и инфо для студентов