Экзаменационные вопросы по экологии

   Билеты  по экологии. Ответы.

 
   

1. Развитие  экологических наук. Предмет и задачи экологии.

   Термин  «экология» (греч. «ойкос» – дом, обиталище и «логос» - наука, слово) был предложен в 1866 году немецким биологом Эрнстом Геккелем. Под «экологией» Геккель понимал «познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды… Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе…». Считается, что в качестве отдельной дисциплины экология зародилась на рубеже 20-го века, и что она получила общественную известность в 1960-е годы, в связи с широко распространённым беспокойством за состояние окружающей среды. Тем не менее, идеи экологии были в какой-то степени известны уже давно, и принципы экологии разрабатывались постепенно, тесно переплетаясь с развитием других биологических дисциплин. Таким образом, возможно одним из первых экологов были Аристотель или, может быть его студент, Теофраст, оба интересовавшиеся многими видами животных. Теофраст описал взаимоотношение между животными и между животными и окружающей их средой уже в 4-м веке до нашей эры.

   Экология  – наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей их средой; о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем. Основным содержанием современной экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики. Отсюда  очевидно, что предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы) и их динамика во времени и пространстве.

   Задачи  экологии: 1) Диагностика состояния природы Земли и ее ресурсов; определение порога устойчивости биосферы к антропогенной нагрузке. 2) Разработка прогнозов изменений состояния окружающей среды при разных сценариях социально-экономического развития стран, регионов и человечества в целом. 3) Формирование такой стратегии развития общества (в т.ч. политики,  экономики и технологий), которые приведут хозяйственную деятельность в соответствие с пределами выносливости биосферы и предотвратят экологическую катастрофу.

     
 

2. Понятие экосистемы, структура экосистемы.

   Экосистема (другое название биогеоценоз) – совокупность организмов со средой их обитания. Примеры Экосистем — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, донными отложениями, с характерными для него изменениями температуры, количества растворённого в воде кислорода, состава воды и т. п., с определённой биологической продуктивностью; лес с лесной подстилкой, почвой, микроорганизмами, с населяющими его птицами, травоядными и хищными млекопитающими, с характерным для него распределением температуры и влажности воздуха, света, почвенных вод и др. факторов среды, с присущим ему обменом веществ и энергии. Гниющий пень в лесу, с живущими на нём и в нём организмами и условиями обитания, тоже можно рассматривать как Экосистему. Формула Тенсли: биогеоценоз = биосфера + биотоп. Биоценоз (сообщество) – совокупность всех живых организмов, обитающих на определенной территории. Биотоп – территория обитания биоценоза. 

   Термины «экологическая система» и «биогеоценоз» не являются синонимами. Экосистема — это любая совокупность организмов и среды их обитания, в том числе, например, горшок с цветком, муравейник, аквариум, пилотируемый космический корабль. Биоценозы — это только природные образования. Однако биоценоз в полной мере может рассматриваться как экосистема. Таким образом, понятие «экосистема» шире и полностью охватывает понятие «биогеоценоз» — это частный случай «экосистемы». Самая крупная природная экосистема на Земле — это биосфера. Различие между крупной экосистемой и биосферой состоит в такой характеристике биосферы, как глобальность и большая условная замкнутость (прочие же экосистемы Земли вещественно практически не замкнуты).

Существуют различные  модели экосистем.

1. Блоковая модель экосистемы. Каждая экосистема состоит из 2 блоков: биоценоз и биотоп. Биогеоценоз, по В. Н. Сукачеву, включает блоки и звенья. Это понятие, как правило, применяют к сухопутным системам. В биогеоценозах обязательно наличие как основного звена – растительного сообщества (луг, степь, болото). Существуют экосистемы без растительного звена. Каждый биогеоценоз – экосистема, но не каждая экосистема – биогеоценозна. Биогеоценозы и экосистемы различаются по временному фактору. Любой биогеоценоз потенциально бессмертен, так как все время получает энергию от деятельности растительных фото– или хемосинтезирующих организмов. А также экосистемы без растительного звена, заканчивая свое существование высвобождают в процессе разложения субстрата всю содержащуюся в нем энергию.

2. Видовая структура экосистем. Под ней понимают количество видов, которые образуют экосистему, и соотношение их численностей. Видовое разнообразие исчисляется сотнями и десятками сотен. Оно тем значительнее, чем богаче биотоп экосистемы. Богатство видов зависит и от возраста экосистем. В сформировавшихся экосистемах обычно выделяется один или 2 – 3 вида явно преобладающих по численности особей. Виды, которые явно преобладают по численности особей, – доминантные (от лат. dom-inans – «господствующий»). Также в экосистемах выделяются виды – эдификаторы (от лат. aedifica-tor – «строитель»). Это те виды, которые являются образователями среды (ель в еловом лесу наряду с доминантностью имеет высокие эдификаторные свойства). Видовую структуру используют для оценки условий местопроизрастания по растениям-индикаторам (лесная зона – кислица, она указывает на условия увлажнения). По растениям-эдификаторам или доминантам и растениям-индикаторам называют экосистемы.

3. Трофическая структура экосистем. Цепи питания. Каждая экосистема включает в себя несколько трофических (пищевых) уровней. Первый – растения. Второй – животные. Последний – микроорганизмы и грибы. 
 

3. Процессы  продукции и разложения в биосфере.

 

Продукция. Автотрофы («самопитающие») – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – диоксида углерода и воды – посредством процессов фотосинтеза и хемосинтеза.

Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все зеленые растения и микроорганизмы.

Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль (за исключением нитрифицирующих бактерий).

Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме.

Разложение. Редуценты (деструкторы, сапротрофы, микроконсументы) – организмы, гл. обр. бактерии и грибы, в ходе всей жизнедеятельности превращающие органические остатки в неорганические вещества. 
 
 

4. Трофические цепи, трофические  сети, трофические  уровни. Пастбищные и детритные трофические  цепи.

Перенос энергии  пищи от ее источника – автотрофов через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется трофической (пищевой) цепью. 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.

   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.

   Организмы в экосистемах, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню: зеленые растения занимают 1-ый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – 2-ой (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных – 3-ий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – 4-ый (уровень третичных консументов).

   Существует 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.

Пастбищная цепь начинается с зеленого растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным и к хищникам. Детритная цепь от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам. Наземные детритные цепи питания более энергоемки, поскольку большая часть органической массы, создаваемое автотрофными организмами, остается невостребованной и отмирает, формируя детрит. В масштабах планеты, на долю цепей выедания приходится около 10% энергии и веществ запасенных автотрофами, 90% же процентов включается в круговорот посредством цепей разложения. 

5. «Правило 1%» и «правило 10%».

   Организмы в экосистемах, получающие свою энергию  от Солнца через одинаковое число  ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню: зеленые растения занимают 1-ый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – 2-ой (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных – 3-ий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – 4-ый (уровень третичных консументов).

При каждом очередном  переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.

Правило 1% (правило Линдемана): Среднемаксимальная эффективность фотосинтеза составляет 1%

Правило 10%: Средний переход энергии с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой составляет 10% (7-17%). При переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий уровень. 

6. Поток энергии в экосистеме.

 

I  - общее поступление энергии; LA - свет, поглощаемый растительным покровом; РG - валовая первичная продукция; А - общая ассимиляция; РN - чистая первичная продукция; Р - вторичная продукция (консументов); NU - не используемая (накапливаемая или «экспортируемая») энергия; NА – не ассимилированная консументами (выделенная с выделениями, экскрементами) энергия; R – дыхание.

Цифры внизу  – порядок величины потерь энергии  при каждом переносе, начиная с  поступления солнечного излучения  в количество 3000 ккал/кв.м*сут. 
 

7. Концепция продуктивности (валовая и чистая первичная продуктивность, вторичная продуктивность).

Первичная продуктивность – скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами (гл. обр. зелеными растениями) в процессе фотосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.

1. Валовая первичная продуктивность (ассимиляция) – общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были израсходованы на дыхание.

2. Чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период.

Чтобы оценить  валовую продукцию, данные по дыханию  складывают с данными, полученными  при измерении «наблюдаемого» фотосинтеза.

3. Чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (т. е. чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за учетный период (вегетационный период или год).

4. Ассимиляция на гетеротрофном уровне – общий поток энергии на гетеротрофном уровне, аналогичный валовой продукции в случае автотрофов.

5. Вторичная продуктивность – скорость накопления энергии на уровнях консументов. Вторичную продуктивность не делят на «валовую» и «чистую».

Следует различать валовую первичную продуктивность, под которой понимают общую скорость фотосинтеза, и чистую первичную продуктивность, которая отличается от валовой на величину энергии, затрачиваемой растениями в единицу времени на поддержание собственных процессов жизнедеятельности, то есть на дыхание (к дыханию в данном случае кроме собственно дыхания относят опад листьев, сучьев, коры и т.п.). Именно чистая первичная продукция доступна для питания консументам (животным). Однако они потребляют не всю эту продукцию, а только ее часть. Оставшуюся же часть накопленного в единицу времени органического вещества, не потребленную консументами, называют чистой продукцией сообщества. Скорость накопления энергии консументами называется вторичной продуктивностью. Поскольку консументы лишь используют ранее созданные автотрофами питательные вещества, вторичная продукция по смыслу является не столько продукцией, сколько ассимиляцией.