Вид - это совокупность особей, обладающих сходством внутреннего и внешнего строения, биохимических и физиологических функций, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни, обладающих определенным типом взаимоотношений с абиотической (косной) и биотической средой и занимающих в природе определенную область - ареал.
Виды отличаются друг от друга многими признаками. Характерные для вида признаки и свойства называют критериями. Как видно из определения, среди критериев различают: морфологический, физиологический, цитогенетический, экологический и географический.
Благодаря многообразию экологических факторов наблюдается закономерное расселение видов по планете. Колебания интенсивности экологических факторов проявляются в исчезновении некоторых видов с определенных территорий, изменении плотности популяций, показателей рождаемости, смертности.
Виды часто занимают большой ареал, в пределах которого особи распределены неравномерно, группами - популяциями. Каждая популяция живет в определенных условиях. Благодаря этому вид, состоящий из ряда популяций, занимает большой ареал, несмотря на разнообразие условий в его пределах. Однако любой вид, состоящий как из одной, так и из нескольких популяций, представляет собой единое целое.
Целостность вида обусловлена связями между его особями: родственные связи родители заботятся о потомстве, особи общаются между собой через различные сигналы, вместе защищаются от врагов и т. д, которые обеспечивают существование вида как целостной системы.
Эта целостность вида достигается также и его обособленностью от других видов. Осо0и разных видов различаются по числу и форме хромосом. Это является причиной их морфологических и физиологических различий, вследствие чего особи не могут скрещиваться между собой.
Особи разных видов живут в различных условиях, им присущи разные признаки, особенности размножения (разные места и периоды размножения, различия в поведении животных).
Популяция
Популяция – это естественные группировки особей одного вида, заселяющих общие места обитания и связанных общностью генофонда и функциональными закономерными взаимодействиями. Она является основой существования биоты, в ней происходит самовоспроизводство живого вещества, она обеспечивает выживание вида, дает начало новым популяциям.
Основная функция популяции – сохранение и воспроизведение вида в данных условиях. Эта функция обеспечивается формированием закономерных взаимоотношений, на основе которых поддерживается и регулируется размножение.
Популяции пространственно структурированы, что определяет эффективность использования ресурсов среды.
Территориальные границы определяются у немигрирующих животных
В целом популяции обладают всеми признаками самостоятельной функционирующей биологической системы.
Статистическими параметрами популяции являются численность и плотность популяций.
Численность – это общее число особей, обитающих на какой-либо территории.
Плотность – это величина, определяющаяся числом особей или биомассой по отношению к единице пространства.
В естественных условиях численность и плотность популяции определяется регулирующими экологическими факторами.
Каждая популяция структурирована по возрасту – соотношение количества особей различного возраста в популяции, по половому признаку – соотношение полов.
Динамическими параметрами является рождаемость и смертность и скорость роста популяций.
Рождаемость или скорость рождаемости – это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. Смертность – это число особей, погибших в популяции за единицу времени. В стабильной популяции рождаемость равна смертности и численность популяции почти не меняется, разновозрастные группы находящиеся примерно в одинаковом соотношении.
Главной составляющей популяции является особь или организм.
Именно организм представляет собой ту биологическую единицу, на уровне которой осуществляется обмен веществ и которая находится в тесных взаимосвязях с другими организмами, и с факторами неживой природы.
Экосистема.
Наука экология изучает организацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм. Эти системы получили название экосистемы.
Экосистема – это безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии.
Главным предметом исследования при экосистемном подходе становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой.
Основные характеристики экосистемы ее размер, ее устойчивость, процессы самовосстановление, самоочищения.
Размер экосистемы – пространство, в котором возможно осуществление процессов саморегуляции и самовосстановления всех составляющих экосистемы компонентов и элементов. Микроэкосистемы – подушка лишайника; мезоэкосистемы – пруд, озеро, степь; макроэкосистемы – континент, океан; глобальная экосистема - биосфера Земли.
Самовосстановление природной экосистемы – самостоятельный возврат природной экосистемы к состоянию динамического равновесия, из которого она была выведена воздействием природных и антропогенных факторов.
Самоочищение – естественное разрушение загрязнителя в среде в результате процессов происходящих в экосистеме.
Природные экосистемы – это открытые системы. Они должны получать и отдавать вещества и энергии.
Экосистемы обладают способностью противостоять изменениям и сохранять равновесие – гомеостаз. Гомеостаз – механизм, посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на постоянном уровне. Для управления экосистемами не требуется регуляция из вне – это саморегулирующая система. Саморегулирование осуществляется по принципу обратной связи.
Гомеостаз обеспечен множеством управляющих механизмов. Смещение равновесия между видами вызывает значительные изменения. Равновесие в живой природе является динамичным, а не статичным.
Категории организмов
Взаимоотношения между видами, находящимися на различных функционально связанных пищевых (трофических) уровнях, образуют систему трофических (пищевых) цепей, которые в свою очередь формируют трофическую структуру биоценоза.
Продуценты – это живые организмы, способные синтезировать органическое вещество из неорганического с использованием внешних источников энергии. Это в основном растительные организмы – автотрофы. Эта категория живых организмов в природных сообществах играет определяющую главенствующую роль в производстве органического вещества.
Продуценты по характеру источника энергии подразделяют на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.
Накопление энергии в растениях происходит в результате процесса фотосинтеза. Сущность процесса заключается в том, что при воздействии солнечной энергии, при наличии хлорофилла из простых неорганических соединений образуются сложные органические, например, (в упрощенном виде):
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2
В процессе фотосинтеза выделяется кислород, необходимый для живых организмов. Реальный процесс фотосинтеза представляет собой цепь более сложных реакций. Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенный в продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для человечества. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млн т свободного кислорода.
Хемосинтез – процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из СО2 за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода)
Суммарная масса продуцентов на Земле занимает более 95% массы всех живых организмов.
Консументы – это организмы, которые для построения собственного тела должны потреблять органическое вещество извне в виде пищи. Консументы являются гетеротрофами.
Консументы делятся на порядки.
Консументы 1-го порядка – животные, питающие растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ.
2-го порядка – хищники и паразиты растительных организмов.
3 – 4-го порядка – сверхпаразиты.
Редуценты – организмы, питающиеся разлагающимися организмами. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (мин. Соли, углекислый газ, воду), поступающих в почву и вновь потребляемых растениями.
Категории организмов составляют трофические (пищевые) цепи. Трофические цепи имеют важнейшее значение для функционирования биогеоценозов и играют определяющую роль во взаимоотношениях живых организмов. При изучении любой биотической системы можно проследить различные трофические цепи. Они никогда не бывают изолированными, они соединены между собой, образуя сеть сложных взаимоотношений.
Совместная деятельность продуцентов, консументов, редуцентов определяет непрерывное поддержание глобального биологического круговорота веществ в биосфере Земли.
Правило пирамиды
В стабильных сообществах биомасса остается постоянной. Биомасса животных не может быть велика по сравнению с биомассой растений и составляет всего около 2% общей биомассы живого вещества, образуя так называемую пирамиду биомассы. Биомасса 1 трофического уровня – продуценты, 2- консументы 1, 3 - консументы 2. Итак, суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Известны три основных типа экологических пирамид:
1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне, количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам неуклонно уменьшается.
2) пирамида биомассы, суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников..
3) пирамида продукции или энергии, показывающая изменение первичной продукции или энергии на последовательных трофических уровнях.
Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в трофических цепях. В стабильных системах биомасса изменяется незначительно. Знание энергетики экосистемы и количественные ее показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.
Круговорот веществ
Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятие морского дна и т. д.
Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий, грибов и т. д. Разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаются ими в поток вещества.
Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биогеохимическим циклом.
Здесь реализуется закон сохранения вещества: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений. В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях, и запас их никогда не истощается.
Итак, экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Жизнь в экосистемах поддерживается за счет энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому.
Таким образом, любая живая система поддерживает свою жизнедеятельность за счет, в первую очередь энергии Солнца, находящейся в окружающей среде в избытке, во-вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав – рассеивать в окружающую среду. При этом если энергию солнечного излучения принять за 100%, то лишь 15% ее достигает поверхности Земли и лишь 1% связывается в виде органического вещества растительности, а из этого процента только половина составляет рост биомассы (0,5%) за счет фотосинтеза.
Законы функционирования экосистем.
1) природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно.
2) Перенос энергии и вещества через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по пищевой цепи.
3) Природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.
Биосфера
Самой крупной и стабильной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера.
Биосфера – «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин был введен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Зюсс рассматривал биосферу в чисто топологическом смысле – как пространство, заполненное жизнью. Развернутое учение о биосфере создано и разработано ак. Вернадским В.И. опубликовавшем в 1926 г. свой классический труд «Биосфера». Он рассматривал биосферу с одной стороны как оболочку Земли, в которой существует жизнь, состоящую из газовой (атмосфера), водной (гидросфера) и каменной (литосфера) оболочек земного шара, области распространения жизни. С другой стороны Вернадский подчеркивал, что биосфера не просто пространство, в котором обитают живые организмы, ее состав определяется деятельностью живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активностью в настоящем и в прошлом. Итак, биосфера – это активная оболочка Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое.
Границы биосферы определяются в атмосфере примерно на высоте 15-20 км т.е. на границах озонового слоя, глубиной в гидросфере 11 км, в литосфере следы жизни обнаружены на глубине чуть более 100 м.
В целом биосфера занимает слой примерно 30 км, в то время как средний радиус Земли составляет 6371 км.
Рассмотрим подробнее оболочки Земли.
Гидросфера – водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), подземные воды. Основная масса 94% сосредоточена в морях и океанах.
Площадь гидросферы составляет 70,8 % площади поверхности земного шара, а объем 0,1 % от объема Земли.
Происхождение воды на Земле до сих пор полностью не объяснено. Отдельные специалисты считают, что она образовалась в результате синтеза из водорода и кислорода при выделении их из недр Земли на первых этапах ее существования, а другие вслед за ак. Шмидтом О.Ю. предполагают, что вода попала на Землю при формировании планеты из космического пространства.
Современная атмосфера Земли по химическому составу относится к азотно-кислородному типу и этим качественно отличается от газовых оболочек всех известных ныне небесных тел. 78 % азота, 21 % кислорода.
Атмосфера защищает живые организмы от воздействия УФ-го излучения, предохраняет Землю от метеоритов и космической пыли, отражает тепло, излучаемое Землей в пространство, является источником дыхания живого вещества.
Литосфера – это каменная оболочка Земли, верхняя часть земной коры. Земная кора имеет два основных источника тепла от Солнца и от распада радиоактивных веществ, сосредоточенных на границе с верхней мантией. Выделяют 3 температурные зоны: переменных температур, постоянных температур, нарастания температур.
В зоне переменных температур диапазон колебаний определяется во многом климатом местности. Суточные колебания затухают на глубинах около 1,5 м, а сезонные – на глубинах 20-30 м.
На глубинах 20-40 м находится зона постоянной температуры, которая соответствует среднегодовой температуре данной местности. Далее температуры растут более или менее закономерно.
За миллионы лет существования биосферы должны были исчерпаться запасы химических элементов, поскольку их на Земле вполне конкретное количество. Но все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота.
Экологические факторы среды обитания
Все условия живой и неживой природы, которые окружают организм и прямо или косвенно влияют на его состояние, развитие, выживание, размножение входят в понятие среды обитания организма.
Окружающая среда – это пища и вода, воздух для дыхания, климатические факторы, субстрат, почва, растительные и животные организмы и всё другое, без чего не может существовать данный организм.
Отдельные элементы среды, действующие на организм, называют экологическими факторами. Различают две группы факторов абиотические и биотические, то есть факторы неживой и живой природы.
Абиотические факторы – это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.
Биотические факторы – это все формы воздействия живых организмов друг на друга.
Огромное значение среди абиотических (физических) факторов среды отводится климату. Климат определяется многими показателями, важнейшие из которых: свет, температура и влажность. Кроме того, во многих местообитаниях организмы сильно зависят от кислотности и солёности среды обитания, от влияния воздушных и водных течений, от содержания кислорода в среде и др.
Взаимоотношения живых организмов друг с другом и составляют биотические факторы окружающей среды.
Законы воздействия абиотических факторов
Для жизни и процветания организмов необходимо наличие определённой совокупности условий. Если все условия оказываются благоприятными, за исключением одного, проявленного недостаточно или в слишком большом избытке, то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим (ограничивающим) фактором, приобретает решающее значение для жизни.
В 1840 году немецкий физиолог Ю.Либих показал, что урожай сельскохозяйственных культур лимитируется не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах и обычно присутствуют в среде в изобилии (например, СО2 и Н2О), а теми, которые требуются в ничтожнейших количествах, но которых в среде очень мало (например, Zn).
Закон минимума (Либиха) гласит, что выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т.е. рост и развитие организма ограничивается нехваткой единственного элемента, который присутствует в минимальном количестве.
Отметим, что лимитирующим (ограничивающим) фактором может быть недостаток или избыток тепла, света, вод. Это понятие ввел американский зоолог В.Шелфорд, который сформулировал закон толерантности. Что лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум так максимум экологического воздействия, а диапозон между ними определяет величину выносливости (предел толератности). Следовательно, организмы можно охарактеризовать экологическим минимумом и экологическим максимумом, диапазон между этими двумя величинами составляет пределы его толерантности (устойчивости).
Дополнения к этому закону толерантности:
1. Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий – в отношении другого.
2. Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам наиболее широко распространены.
3. Пределы толерантности у организмов в период размножения обычно уже, чем у взрослых растений или животных.
По пределу толерантности организмы подразделяются на стеноэков и эвриэков, в которых используются приставки стено- (узкий) и эври- (широкий).
Живые организмы, которым требуются условия, ограниченные узкими пределами, носят название – стеноэков (стенотермные организмы, стеногалинные и др.). Другие организмы, наоборот, приспосабливаются к гораздо более изменчивым условиям (диапазон их толерантности гораздо шире), такие менее требовательные организмы называются эвриэками (эвритермные, эвригалинные и др.).
Биотические факторы. Взаимодействия между организмами
Ни один организм в сообществе (неважно, в лесу, пустыне, на пастбище, в пруду или на коралловом рифе) не существует изолированно от своего окружения. Он взаимодействует с другими живыми существами и с окружающей средой.
Живые организмы поселяются друг с другом не случайно, а образуют определенные сообщества, приспособленные к совместному обитанию. Среди огромного разнообразия взаимосвязей живых существ выделяют определенные типы отношений, имеющие много общего у организмов разных систематических групп. По направлению действия на организм все они подразделяются на позитивные, негативные и нейтральные.
Взаимоотношения живых организмов друг с другом и составляют биотические факторы окружающей среды.
