Трофическая структура и экологические пирамиды

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. Туполева

КАФЕДРА ОБЩЕЙ  ХИМИИ И ЭКОЛОГИИ

 

 

 

РЕФЕРАТ ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ

 

Трофическая структура и Экологические  пирамиды

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр.3212 Исаев А.П.

Проверила: доцент Гоголь Э.В.

 

 

 

Казань, 2011 г.

 

 

Содержание

1.Введение

2.Экосистема. Принципы и концепция

3.Экологические пирамиды

  3.1 Пирамиды численности 

  3.2 Пирамиды биомассы

  3.3 Пирамиды энергии

4. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение нераздельно связаны  друг с другом и находятся в  постоянном взаимодействии. Любое единство, включающее все организмы (т.е. "сообщество") на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (т.е. обмен веществами между биотической и абиотической частями) внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему. С точки зрения трофических (от греч. трофе - питание) отношений экосистема имеет два компонента (которые обычно частично разделены во времени и пространстве): 1) автотрофный компонент (автотрофный - самостоятельно питающийся), для которого в основном характерны фиксация световой энергии, использование простых неорганических веществ и построение сложных веществ, и 2) гетеротрофный компонент (гетеротрофный - питаемый другими), для которого характерны утилизация, перестройка и разложение сложных веществ. Для удобства описания целесообразно выделять в составе экосистемы следующие компоненты: 1) неорганические вещества (C, N, CO , H O и т.д.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углероды, липиды, гуминовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) климатический режим (температура и другие физические факторы); 4) продуценты - автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ; 5) макроконсументы, или фаготрофы (от греч. фагос - пожирающий), - гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;

6) микрокунсументы, сапротрофы (от греч. сапро - разлагать), или осмотрофы (от греч. осмо - проходить через мембрану), гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источниками энергии, ингибиторами или стимуляторами для других биотических компонентов экосистемы. Первые три группы неживые компоненты, а остальные составляют биомассу (живой вес).

Другое полезное подразделение гетеротрофов на две категории предложили Вигерт и Оуэнс (1970): они выделили биофаги, т.е. организмы, поедающие другие живые организмы, и сапрофаги - организмы, питающиеся мертвым органическим веществом. Как будет разъяснено ниже, эта классификация принимает во внимание разрыв во времени между потреблением живого и мертвого вещества.

С функциональной точки зрения экосистемы целесообразно анализировать в  следующих направлениях: 1) потоки   энергии;2) пищевые цепи; 3) структура пространственно-временного разнообразия; 4) круговороты питательных элементов (биогеохимические круговороты); 5) развитие и эволюция и 6) управление (кибернетика). Экосистема есть основная функциональная единица экологии, поскольку она включает и организмы (биотические сообщества), и абиотическую среду, причем каждая из этих частей влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни в том виде, в каком она существует на Земле.

 

2.Экосистема. Принципы и концепция

Поскольку ни один организм не может  существовать сам по себе, без других организмов или среды обитания, первый принцип должен касаться "взаимосвязи" и "целостности", которые входят в состав нашего основного определения экологии, данного в гл. 1, разд. 1. Термин "экосистема" был впервые предложен английским экологом А. Тэнсли в 1935 г., но само представление об экосистеме, несомненно, возникло значительно раньше. Идею единства организмов и среды (как и единства человека и природы) можно найти в самых древних памятниках письменной истории. Однако лишь в конце 1800-х годов стали появляться вполне определенные высказывания этого рода и, что весьма интересно, почти одновременно в американской, европейской и русской экологической литературе. Так, немец Карл Мебиус в 1977 г. писал о сообществе организмов на коралловом рифе как о "биоценозе", а в 1887 г. американец С. Форбс опубликовал свою классическую работу, в которой озеро рассматривается как "микрокосм". Один из первых русских экологов, В.В. Докучаев (1846-1903), и виднейший его ученик Г.Ф. Морозов (специализировавшийся в лесной экологии)* придавали большое значение представлению о "биоценозе"; этот термин был позднее расширен русскими экологами в "геобиоценоз" (Сукачев, 1944). Таким образом, на границе XIX и ХХ вв. биологи начали серьезно рассматривать идею единства природы независимо от того, какая среда (пресные воды, море, суша) непосредственно служила объектом их изучения. Для выражения такой холистической точки зрения использовались также другие термины: голоцен (Фридерикс, 1930), биосистема ( Тинеманн,1939), биокосное тело (Вернадский, 1944).  Термин экосистема используют в основном авторы, пишущие на английском языке, тогда как в литературе на германских и славянских языках пользуется предпочтением термин биогеоценоз (или геобиоценоз). Некоторые авторы пытались провести различие между двумя терминами. Термин экосистема имеет то большое преимущество, что это короткое слово, которое легко может быть усвоено любым языком!

Экосистема - понятие весьма широкое; его главное значение для экологической теории состоит в том, что оно подчеркивает обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединения компонентов в функциональное целое. Отсюда следует, что, поскольку части в операционном смысле неотделимы от целого, экосистема представляет собой наиболее подходящий для применения методов системного анализа уровень биологической организации. Можно выделять и изучать экосистемы разных размеров. Подходящими для изучения объектами могут быть пруд, озеро, лесной участок и даже лабораторная культура (микроэкосистема). Если главные компоненты, взаимодействуют и при этом обеспечивается, пусть даже на короткое время, функциональная стабильность, то их совокупность можно рассматривать как экосистему. Временный водоем, например, - это настоящая экосистема с характерными для нее организмами и процессами, хотя ее активное существование ограничено коротким отрезком времени. Один из самых общих признаков экосистем - наземных, пресноводных или морских, создаваемых человеком или природных, - взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов. Очень часто эти организмы и осуществляемые ими функции в определенной степени разделены в пространстве, располагаясь в виде ярусов, одни над другими: автотрофный метаболизм наиболее интенсивно происходит в верхнем ярусе - "зеленом поясе", т.е. там, где наиболее доступна световая энергия, а гетеротрофный метаболизм преобладает внизу, в почвах и отложениях - "коричневом поясе", в котором накапливается органическое вещество. Функционирование автотрофов и гетеротрофов частично разделено также во времени: использование продукции автотрофных организмов гетеротрофами может происходить с существенной задержкой. Например, в лесной экосистеме фотосинтез превалирует в листовом пологе. Лишь часть продуктов фотосинтеза, часто весьма небольшая, немедленно и непосредственно используется растением и гетеротрофами - фитофагами и паразитами, питающимися листвой и молодой древесиной. Большая часть синтезированного вещества (в форме листьев, древесины и запасных питательных веществ в семенах и корнях) в конце концов попадает в подстилку и почву, образующие вместе четко определенную гетеротрофную систему.

Такое пространственно-временное  разделение процессов позволяет  подразделить потоки энергии на два типа: 1) пастбищный, в котором происходит прямое потребление живых растений или их частей, и 2) "детритный", в котором идет накопление и разложение мертвого вещества. Термин "детрит" ("продукт распада", от лат. deterere - изнашиваться) заимствован из геологии, где им обычно обозначают продукты разрушения горных пород. Термин "детрит" кажется самым удобным из множества терминов, предлагавшихся для обозначения этого важного звена между живым и неорганическим миром (Одум и де ла Круц, 1963).

Весьма удобно, но эта экологическая классификация в какой-то степени произвольна; в первом случае за основу берется структура, во втором - функция. Хотя для выявления структуру, с одной стороны, и для измерения интенсивности функций - с другой часто требуются различные методы, конечная цель исследования на любом уровне биологической организации - объяснение взаимосвязи между структурой и функцией.

 В качестве общего принципа  можно указать, что в операциональном смысле живые и неживые части экосистемы настолько тесно связаны природой в одно целое, что разделить их трудно (отсюда операциональные классификации, в которых не проводится резкого различия между биотическим и абиотическим). Большинство биогенных веществ ( С, Н, О, N, P и т.д.) и органических соединений (углеводороды, белки, жиры и т.д.) не только встречаются как в организмах, так и вне их, но и образуют непрерывный поток между живым и неживым.

Однако некоторые вещества принадлежат исключительно одному из этих состояний. Так, например, аденозинтрифосфат (АТФ) - вещество, обладающее большим запасом энергии - встречается только в живых клетках (а вне их его существование бывает очень кратковременным), тогда как гуминовые вещества - устойчивые конечные продукты разложения - никогда не встречаются в клетках, хотя является обильным и характерным компонентогм всех экосистем. Другие важнейшие биологические соединения, например дезоксирибонуклеиновая кислота ( ДНК), которая служит генетическим материалом клеток, и хлорофиллы, могут встречаться и вне клеток, но тогда они не функционируют.

Три живых компонента экосистем (продуценты, фаготрофы и сапротрофы) можно рассматривать как три "функциональных царства природы", так как тх разделение основано на типе питания и используемом источнике энергии. Эти экологические категории не следует смешивать с царствами природы, выделяемыми систематиками.     3) определенные параллели здесь имеются. На эволюционном древе составленном Уиттэкером, внизу находятся Monera и Protista, у которых имеется все три типа питания, тогда как три верхние ветви, а именно растения (Plantae), грибы (Fungi) и животные (Animalia), специализированы как " продуценты", " редуценты" и "консументы". Следует еще раз подчеркнуть, что экологическая классификация - это классификация функций, а не видов как таковых.

Некоторые виды организмов занимают в приведенном ряду промежуточное  положение, другие способны изменять тип питания в зависимости от условий среды. Разделение гетеротрофов на крупных и мелких консументов хотя и условно, однако оправдано практическими соображениями, поскольку методы изучения тех и других очень сильно различаются.

 Система из пяти царст, основанная на трех уровнях организации прокариотическом (царство Monera), эукариотическом одноклеточном (царство Protista) и эукариотическом многоклеточном и много­ядерном.

На каждом уровне существуют различия в отношении трех основных способов питания (фотосинтез, абсорбция и переваривание). Во многих учебниках по биологии и микробиологии перечисляются только четыре царства, так как низшие протисты (Мonera) объединяются с высшими в одно царство Protista. На этой схеме эволюционные взаимоотношения значительно упрощены, особенно в группе Protista. Показаны лишь основные эволюционные линии животных; для бактерий они опущены. Coelenterata включают Cnidaria и Ctenophora; Tetraculata включают Bryozoa, Brachiopoda и Phoronida, а в некоторых работах также Entoprocta.

Гетеротрофные микроорганизмы (бактерии, грибы и т.д.) относительно неподвижны (обычно они заключены в разлагаемую  ими среду) и очень мелки при высокой интенсивности метаболизма и скорости оборота. Морфологически они специализированы в меньшей степени, чем в биохимическом отношении, и поэтому при помощи таких прямых методов, как визуальное наблюдение или подсчет численности, их роль в экосистеме установить трудно. Организмы, которые мы называем макроконсументами, получают необходимую энергию, переваривая органическую материю в виде частиц. Именно они - это "животные" в широком смысле слова. Они развиваются в направлении морфологической адаптации к активному поиску или сбору пищи, что сопровождается развитием сложной нервной сенсорно-двигательной системы, а также высокоорганизованных систем пищеварения, дыхания и кровообращения. В предыдущих изданиях этой книги микроконсументы, или сапротрофы, назывались "агентами разложения", однако последние исследования показали, что в некоторых эко­системах животные играют в процессах разложения органического вещества более важную роль, чем бактерии и грибы. Поэтому, видимо, вернее будет не определять какую-либо одну группу организмов как " агентов разложения (" разрушители", "разлагатели", или "редуценты"), а рассматривать "разложение" как процесс, в котором участвует вся биота, а также абиотические процессы

 

 

3. Экологические пирамиды

3.1. Пирамиды численности

Для изучения взаимоотношений между  организмами в экосистеме и для  графического представления этих взаимоотношений  удобнее использовать не схемы пищевых  сетей, а экологические пирамиды. При этом сначала подсчитывают число  различных организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням. После таких подсчетов становится очевидным, что численность животных прогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня к последующим. Численность растений первого трофического уровня тоже нередко превосходит численность животных, составляющих второй уровень. Это можно отобразить в виде пирамиды численности.  
Для удобства количество организмов на данном трофическом уровне может быть представлено в виде прямоугольника, длина (или площадь) которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (или в данном объеме, если это водная экосистема). Ниже показана пирамида численности, отображающая реальную ситуацию в природе.