Лекция 5. Популяция.Экосистема.Биосфера.

Понятие о популяциях

Вспомните, что такое вид. Вид - это группа организмов, сходных по морфологическим признакам. Любой вид животного, растения, микроорганизма утверждает себя во внешней среде, осваивает арену жизни, приспосабливается к постоянно изменяющимся условиям не как сумма особей, а как единое целое, представляющее собой популяцию.

Популяцией в экологии называют группу особей одного вида, на­ходящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию.

Слово «популяция» происходит от латинского «популюс» — на­род, население. Экологическую популяцию, таким образом, можно определить как население одного вида на определенной территории.

Популяции, как групповые объединения, обладают рядом специфических свойств, которые не присущи каждой отдельно взятой особи.

Члены одной популяции оказывают друг на друга не мень­шее воздействие, чем физические факторы среды или другие обитающие совместно виды организмов. В популяциях прояв­ляются в той или иной степени все формы связей, характерные для межвидовых отношений, но наиболее ярко выражены взаимно полезные и конкурентные. Специфи­ческие внутривидовые взаимосвязи - это отношения, связан­ные с воспроизводством: между особями разных полов и между родительским и дочерним поколениями

Термин «экосистема» был впервые предложен в 1935 году английским ученым А. Тенсли. Он понимал под экосистемой любую совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды.

Согласно Закону РФ «Об охране окружающей среды», 2002, ст. 1. экологическая система, или экосистема, - это «объективно существующая часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и в которой живые (растения, животные и другие организмы) и неживые ее элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом веществом и энергией». В настоящее время концепция экосистемы играет весьма важную роль в экологии благодаря гибкости самого понятия: к экосистемам можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средой обитания - от пруда до Мирового океана и от пня в лесу до обширного лесного массива - тайги и т.п.

Биосфера — это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества; наиболее крупная экосистема планеты, поддерживающая глобальный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

Атмосфера — наиболее легкая оболочка нашей планеты, гранича­щая с космическим пространством. Она насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которое определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосфер­ных газов и ионизацию атомов.

Химический состав атмосферы (для сухого воздуха) содержит по массе: азота — 75,5%; кислорода — 23,2; аргона — 1,28; углекислого газа — 0,046; озона — 3,6-10 ⁵ % и т.д. Несмотря на ничтожное количество двуокиси углерода (углекислого газа), небольшое его увеличение приводит к парниковому эффекту — опасному повы­шению температуры Земли.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О₃. Озон образуется при столкновении О + О₂= О₃. В то же время он поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на моле­кулярный и атомный кислород. Основ­ная масса озона располагается на высоте от 10 до 50 км с макси­мальной концентрацией на высотах от 20 до 25 км. Озоновый слой имеет исключительное значение для сохранения жизни на Земле, однако может быть разрушен людьми.

Гидросфера — водная оболочка Земли. Она находится в виде па­ров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны и моря, существует в замороженном состоянии в высокогорных районах в виде мощных ледяных панцирей, покрывающих полярные участ­ки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных по­род, образуя подземные воды. Подавляющая часть массы природных вод (94%) слагает ми­ровой океан объемом 1,37 млрд. км³. Подземные воды составляют 4% от общего объема воды, ледники — 1,7; речные воды — 10^-4, озера — 0,02; пары атмосферы — 10^-3 %.

Земная кора — наиболее неоднородная твердая оболочка Земли, сложенная различными породами. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположен­ный выше сейсмической границы Мохоровичича (Мохо). Эта гра­ница находится на разных глубинах и характеризует резкий скачок в увеличении скорости сейсмических волн, возникающих при зем­летрясениях. Проходя границу Мохоровича, скорость продоль­ных сейсмических волн увеличивается с глубиной с 6,5 до 8 км/с, поперечных волн — с 3,7 до 4,5 км/с. Под материками граница Мохоровича достигает глубины 70 км, а под океаном — 10 км.Литосфера — это верхняя твердая оболочка Земли, имею­щая большую прочность и переходящая в нижележащую астено­сферу, прочность которой относительно мала. Она включает зем­ную кору и верхнюю мантию до глубин порядка 200 км. Наиболее распространенным элементом земной коры является кислород.

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепен­но возрастает с глубиной и на уровне 1,5—15 км уже превыша­ет 100 °С. В нефтяных месторождениях на глубине 2—2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. В океане жизнь распространена на всех глубинах и встречается даже на дне океанических впадин в 10—11 км от поверхности, так как температура там, около 0°С. Однако, по В. И. Вернадскому, нижнюю границу биосферы следует проводить еще глубже. По­степенно накапливающиеся в океане гигантские толщи осадоч­ных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых существ, — это тоже части биосферы. В со­ответствии с динамическими процессами в земной коре оса­дочные породы постепенно вовлекаются в глубь ее, метаморфизируясь под действием высоких температуры и давления. Метаморфические породы земной коры, происходящие из оса­дочных, в конечном счете, также производные жизни.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нараста­нием с высотой ультрафиолетовой радиации. На высоте 25— 27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца по­глощает находящийся здесь тонкий слой озона — озоновый экран. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, по­гибает. Атмосфера же над поверхностью Земли насыщена много­образными живыми организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов об­наруживают до высоты 20—22 км, но основная часть аэропланк­тона сосредоточена в слое до 1 —1,5 км. В горах граница распро­странения наземной жизни около 6 км над уровнем моря.

Дополнительный материал

Ни один живой организм на может существовать без определенных факторов среды, его окружающей. Поэтому необходимо различать такие понятия как «среда обитания» и «условия существования».                               

Под средой обитания обычно понимают природные тела и явления, с которыми организм (организмы) находится в прямых пли косвенных взаимоотношениях. Среда каждого организма складывается из множества элементов неорганической и органической природы и из элементов, привносимых человеком, его производственной деятельностью. Причем одни элементы среды могут быть необходимы организму, а другие безразличны для него, например, каждому из нас необходимо наличие воздуха и пиши, и совсем не обязательно присутствие допустим шкафа у степы.

Из этого примера вытекает определение «условия существования», или условия жизни - это совокупность необходимых для жизни элементов, составляющих с организмом диалектическое единство.

Вывод: компоненты среды необходимые для жизни: воздух, пища, энергия) образуют условия существования, все остальные элементы - среда обитания.

Среда обитания — это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодейст­вует. Составные части и свойства среды многообразны и измен­чивы. Любое живое существо живет в сложном, меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями. Наряду с термином «среда обитания» используются также по­нятия «экологическая среда», «местообитание», «окружающая среда», «окружающая природная среда», «окружающая приро­да» и др. Четких различий между этими терминами нет.

Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Фак­торы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или пре­пятствовать выживанию и размножению.

 Экологические фак­торы имеют разную природу и специфику действия. Среди них выделяют абиотические и биотические, антропогенные.

Абиотические факторы (физико-химические, факторы неживой природы) — температура, свет, радиоак­тивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой со­став воды, ветер, течения, рельеф местности — это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на жи­вые организмы.

Биотические (факторы живой природы) — это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испыты­вает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других ви­дов — растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие.

Антропогенные факторы — это формы деятельности че­ловеческого общества, которые приводят к изменению приро­ды как среды обитания других видов или непосредственно ска­зываются на их жизни. Значе­ние антропогенных воздействий на весь живой мир Земли про­должает стремительно возрастать.

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Напри­мер, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, оби­тающих открыто животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для боль­шинства наземных животных и т. п.

Некоторые свойства среды остаются относительно посто­янными на протяжении длительных периодов времени в эво­люции видов. Таковы сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Большинство эко­логических факторов — температура, влажность, ветер, осад­ки, наличие укрытий, пищи, хищники, паразиты, конкурен­ты и т. д. — очень изменчиво в пространстве и времени. Сте­пень изменчивости каждого из этих факторов зависит от осо­бенностей среды обитания. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер. Паразиты млекопитающих живут в условиях избытка пищи, тогда как для свободноживущих хищников ее запасы все время меняются вслед за изменением численности жертв.

Изменения факторов среды во времени могут быть: 1) регулярно-периодическими, меняющими силу воздействия в связи со временем суток, или сезоном года, или ритмом прили­вов и отливов в океане; 2) нерегулярными, без четкой пери­одичности, например, изменения погодных условий в разные годы, явления катастрофического характера — бури, ливни, обвалы и т. п.; 3) направленными на протяжении известных, иногда длительных, отрезков времени, например, при похоло­дании или потеплении климата, зарастании водоемов, постоян­ном выпасе скота на одном и том же участке и т. п.; 4) неопределенного действия – антропогенные факторы, наиболее опасные для живых организмов и их сообществ, например выбросы загрязняющих веществ. При­рода таких факторов неопределенна, к ним организм, как правило, не готов, вид не встречался с такими явлениями и в процессе эволюции, представляют наибольшие трудности для адаптации. В этом их ос­новная специфика и антиэкологичность. Многие из этих факто­ров, кроме того, выступают как вредные. Их относят к группе ксенобиотиков (греч.ксенокс - чужой). Кпоследним относятся практичес­ки все загрязняющие вещества. Только в отдельных случаях по отношению к таким факторам организмы могут использовать механизмы так на­зываемых преадаптаций, т. е. те адаптации, которые выработа­лись, но отношению к другим факторам. Так, например, устойчи­вости растений к загрязнениям воздуха в какой-то мере способствуют те структуры, которые благоприятны для повышения засухоустойчиво­сти: плотные покровные ткани листьев, наличие на них воскового нале­та, опушенности, меньшее количество устьиц и другие структуры, за­медляющие процессы поглощения веществ, а, следовательно, и отрав­ление организма.

Среди факторов среды выделяют ресурсы и условия. Ресур­сы окружающей среды организмы используют, потребляют, тем самым, уменьшая их количество. К ресурсам относят пищу, воду при ее дефиците, убежища, удобные места для размноже­ния и т. п. Условия — это такие факторы, к которым организ­мы вынуждены приспосабливаться, но повлиять на них обычно не могут. Один и тот же фактор среды может быть ресурсом для одних и условием для других видов. Например, свет — жизнен­но необходимый энергетический ресурс для растений, а для об­ладающих зрением животных — условие зрительной ориента­ции. Вода для многих организмов может быть и условием жиз­ни, и ресурсом.

Экоклимат и микроклимат. Для того чтобы выяснить влияние климатических факторов на организм, часто метеорологических данных бы­вает недостаточно. Хорошо известно, что по­верхности предметов, обращенные к солнцу, всегда теплее, чем воздух над ними; холодный воздух по ночам скапливается в понижениях местности. В связи с этим различные местооби­тания организмов отличаются температурным и световым режимом, режимом влажности. Ины­ми словами, каждое местообитание характе­ризуется определенным экологическим клима­том — экоклиматом, т. е. климатом при­земного слоя воздуха.

Большое влияние на климатические факторы оказывает растительность. Под пологом леса, например, влажность воздуха всегда выше, а колебания температуры меньше, чем на поля­нах. Различен и световой режим этих мест. В разных растительных ассоциациях формиру­ется свой режим влажности, температуры, све­та. Тогда говорят о фитоклимате.

Но не всегда данных экоклимата или фито-климата достаточно для полной характеристики климатических условий того или иного место­обитания. Условия жизни, окружающие личинок насекомых, живущих под корой дерева, иные, чем в лесу, где это дерево произрастает. При этом температура южной стороны ствола мо­жет быть на 10—15 °С выше температуры его северной стороны. Такие небольшие участки местообитания имеют свой микроклимат.

Четких различий между экоклиматом и мик­роклиматом не существует. Считается, что эко­климат — это климат относительно больших территорий, а микроклимат — климат отдель­ных небольших участков.

Каждая климатическая зона отличается ог­ромным количеством разнообразных микроклиматов. Микроклиматы тесно связаны с солнечной радиацией, силой и направлением ветра, особенностями рельефа, характером растительности и другими климатическими показателями местности (рис. 22).

Особые микроклиматические условия созда­ют не только растения, но и животные. Устой­чивым микроклиматом обладают заселенные животными норы, дупла деревьев, пещеры. Наличие в одной местности многих микрокли­матов обеспечивает сосуществование видов, обладающих неодинаковыми требованиями к внешней среде.

Экологические факторы среды оказывают на живые орга­низмы различные воздействия, т. е. могут влиять как раздра­жители, вызывающие приспособительные изменения физио­логических и биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных ус­ловиях; как модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов; как сигналы, свиде­тельствующие об изменениях других факторов среды.