Движение воздушных масс (ветер)

Максимальная скорость ветра примерно 400 км/час -ураган (штат Нью-Гемпшир, США).

Ветровой напор - направление ветра в сторону меньшего давления. Ветер переносит примеси в атмосфере.

Давление атмосферы.

760 мм ртутного столба или 10 кПа.

Абиотические факторы почвенного покрова.

Почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растений, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельной экосистемой.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и других организмов. Почва является составной частью биосферы и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы.

Состав почвы: твердые частицы, жидкость (вода), газы (воздух- О , СО ), растения, животные, микроорганизмы, гумус.

Толщина почвы; 0,5м - тундра, горы; 1,5м - на равнинах.

1 см почвы образуется примерно за 100 лет.

Типы почв:

1. Арктические и тундровые (гумус до 1 -3 %)

2. Подзолистые (хвойные леса, гумус до 4-5 %).

3. Черноземы (степь, гумус до 10 %).

4. Каштановые (в сухих степях, гумус до 4%).

5. Серо-бурые (пустыни субтропические пояса, гумус 1-1,5%).

6. Красноземы (влажный субтропический лес, гумус до 6 %).

Гумус - органическое вещество почвы, образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных остатков, которое накапливается в верхнем слое почвы. Главный источник питания растений. В гумусе также накапливаются микроэлементы. В процессе эксплуатации почв количество гумуса уменьшается, поэтому необходимо вносить различные удобрения.

Физические свойства:

1. Механический состав - содержание частиц различного диаметра.

2. Плотность.

3. Теплоемкость, теплопроводность.

4. Влагоемкость, влагопроницаемость (у песка выше влагопроницаемость, у глины - влагопроницаемость).

5. Аэрация - способность насыщения почвы воздухом (рыхление почвы).

Химические свойства:

1. Химический состав:

· до 50 % SiO - кремнезем

· до 25 % Al O - глинозем

· до 10 %- оксиды Fe

· остальное - оксиды Са, К, Mg, Р и т.д.

2. Кислотность

3. Содержание вредных веществ (пестициды, тяжелые металлы и т.д.)

Влияние кислотности на растения:

• Обитают на кислых почвах (рН < 6,7) карликовая береза, хвощ, некоторые мхи

• Нейтральные (рН 6,7 - 7,0) большинство культурных растений

• На щелочных почвах (рН > 7,0) степные и пустынные растения (лебеда, полынь...)

• Могут расти на любой почве (ландыш, вьюн, земляника лесная)

Абиотические факторы водной среды.

Водная оболочка Земли называется гидросферой, и включает океаны, моря, реки, озера, болота, ледники и т. д. Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71 % земной поверхности). Средняя глубина - 3554м, вес 0,022 % веса планеты, площадь - 1350 млн. кв. км -океаны, 35 млн. кв. км - пресные воды.

Абиотические факторы водной среды - это физические и химические свойства воды как среды обитания живых организмов.

Физические свойства:

1. Плотность.

Плотность как экологический фактор определяет условия передвижения организмов, причем некоторые из них (головоногие моллюски, ракообразные и т.д.), обитающие на больших глубинах, могут переносить давление до 400 - 500 атмосфер. Плотность воды также обеспечивает возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм (планктон).

2. Температура.

Изменение t° в зависимости от глубины и колебания (суточные и сезонные).

Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше, что связано с высокой теплоемкостью воды. Например, колебания t° верхних слоев океана -10-15°С, более глубокие слой 3 -4°С.

3. Световой режим.

Играет важную роль в распределении водных организмов. Водоросли в океане обитают в освещаемой зоне, чаще всего на глубине до 40 м, если прозрачность воды велика, то и до 200 м. У Багамских островов обнаружены водоросли на глубине 265 м, а туда доходит всего 5*10^-6 солнечной радиации.

С глубиной меняется и окраска животных. Наиболее ярко и разнообразно окрашены обитатели мелководной части океана. В глубоководной зоне распространена красная окраска, здесь она воспринимается, как черный цвет, что позволяет животным скрываться от врагов. В наиболее глубоководных районах Мирового океана в качестве источника света организмы используют свет, испускаемый живыми существами (биолюминесценция).

4. Подвижность - постоянное перемещение водных масс в пространстве.

5. Прозрачность.

Зависит от содержания взвешенных частиц. Самое чистое - море Уэддела в Антарктиде, видимость 80м (прозрачность дистиллированной воды).

Химические свойства:

1. Соленость воды - содержание растворенных сульфатов, хлоридов, карбонатов. В океане 35 г/л солей. Черное море - 19 г/л.

Пресноводные виды не могут обитать в морях, а морские - в реках. Однако, такие рыбы, как лосось, сельдь всю жизнь проводят в море, а для нереста поднимаются в реки.

2. Количество растворенного О и СО . О - для дыхания.

3. Кислая, нейтральная, щелочная среда.

Все обитатели приспособились к определенным кислотно-щелочным условиям. Их изменение в результате загрязнения может привести к гибели организмов.

Биотические факторы.

Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую природу.

Классификация биотических взаимодействий:

1. Нейтрализм - ни одна популяция не влияет на другую.

2. Конкуренция - это использование ресурсов (пищи, воды, света, пространства) одним организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса ддя другого организма.

Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Если численность популяции невелика, то внутривидовая конкуренция выражена слабо и ресурсы имеются в изобилии. При высокой плотности популяции интенсивная внутривидовая конкуренция снижает наличие ресурсов до уровня, сдерживающего дальнейший рост, тем самым регулируется численность популяции.

Межвидовая конкуренция - взаимодействие между популяциями, которое неблагоприятно сказывается на их росте и выживаемости. При завозе в Британию из Северной Америки каролинской белки уменьшилась численность обыкновенной белки, т.к. каролинская белка оказалась более конкурентоспособной.

Конкуренция бывает прямая и косвенная.

Прямая - это внутривидовая конкуренция, связанная с борьбой за место обитания, в частности защита индивидуальных участков у птиц или животных, выражающейся в прямых столкновениях. При недостатке ресурсов возможно поедание животных особей своего вида (волки, рыси, хищные клопы, пауки, крысы, щука, окунь и т.д.)

Косвенная - между кустарниками и травянистыми растениями в Калифорнии. Тот вид, который обосновался первым, исключает другой тип. Быстро растущие травы с глубокими корнями снижали содержание влаги в почве до уровня непригодного для кустарников. А высокой кустарник затенял травы, не давая им произрастать из-за нехватки света.

3. Паразитизм - один организм (паразит) живёт за счёт питания тканями или соками другого организма (хозяина), тесно связан в своём жизненном цикле. Паразитов различают по месту обитания:

• находятся на поверхности хозяина. Блохи, вши, клещи - животные. Тля, мучнистая роса - растения. У паразита имеются специальные приспособления (крючки, присоски и т.п.)

• внутри хозяина. Вирусы, бактерии, примитивные грибы - растения. Глисты - животные. Высокая плодовитость. Не приводят к гибели хозяина, но угнетают процессы жизнедеятельности

4. Хищничество - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником).

Хищники могут поедать травоядных животных, и также слабых хищников. Хищники обладают широким спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую более доступную.

Хищники часто нападают на слабые жертвы. Норка уничтожает больных и старых ондатр, а на взрослых особей не нападает.

Поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник.

5. Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов при котором организмы приносят друг другу пользу. По степени партнерства симбиоз бывает:

Комменсализм - один организм питается за счет другого, не нанося ему вреда. Рак - актиния. Актиния прикрепляется к раковине, защищая его от врагов, и питается остатками пищи.

Мутуализм - оба организма получают пользу, при этом они не могут существовать друг без друга. Лишайник - гриб + водоросль. Гриб защищает водоросль, а водоросль кормит его.

В естественных условиях один вид не приведёт к уничтожению другого вида.

Экосистема.

Экосистема - это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.

Термин предложен в 1935 году английским экологом Тексли. Самая большая экосистема - биосфера Земли, далее по уменьшению: суша, океан, тундра, тайга, лес, озеро, пень от дерева, горшок с цветами.

ЭКОСИСТЕМЫ:

Наземные

Водные

тундра

тайга

лиственные леса

степи

пустыни

саванны

Пресноводные

Морские

реки

ручьи

озёра

пруды

водохранилища

болота

открытый океан

прибрежные воды

глубоководные рифтовые зоны

1. Экосистема океана.

Одна из самых больших экосистем (94 % гидросферы). Жизненная среда океана непрерывна, в ней отсутствуют границы, препятствующие расселению живых организмов (на суше граница - океан между материками, на материке - реки, горы и т.п.). В океане вода находится в постоянном движении. Существуют горизонтальные и вертикальные течения. В воде растворено - 48-10 т солей.

Эти физико-химические особенности создают благоприятные условия для образования и развития разнообразных организмов. В океане насчитывается:

• 160 000 видов животных (80 тыс. моллюсков, 20 тыс. ракообразных, 16 тыс. рыб, 15 тыс. простейших).

• 10 000 видов растений. В основном различные виды водорослей.

Однако органическая жизнь распределяется по горизонтали и вертикали неравномерно. В зависимости от а биотических факторов (световой режим, t, солёность и т.д.) океан подразделяют на несколько зон.

*В зависимости от освещения:

• верхняя освещаемая - до 200 м (эвфотическая)

• нижняя, лишённая света - свыше 200 м (афотическая)

* Экосистема океана также делится на:

• толща воды (пелагиаль)

• дно (бенталь)

* В зависимости от глубины:

• до 200 м (литоральная зона)

• до 2500 м (батиальная зона)

• до 6000 м (абиссальная зона)

• более 6000 м (ультраабиссальная зона)

В открытом океане по сравнению с прибрежной зоной пища менее сконцентрирована, поэтому здесь разнообразны активно плавающие организмы (рыбы, кальмары, акулы, киты и т.д.).

Пищевая цепь: фитопланктон - зоопланктон - планктоноядные рыбы - хищные рыбы - детритофаги (бактерии, которые живут в основном на дне).

2. Прибрежная зона.

Прибрежная зона имеет оптимальные условия для жизни по сравнению с открытым океаном (свет, t, достаточное количество питательных веществ и др.) - поэтому здесь наблюдается максимальное видовое разнообразие флоры и фауны (до 80 %).

Пищевая цепь: аналогично п. 1.

3. Глубоководная рифтовая зона океана.

Открыта в 1977 году в зоне подводного хребта Тихого океана к северо-востоку от Галапагосских островов. Здесь на глубине 2600 м существуют «оазисы жизни» - гигантские черви (до 1,5 м), крупные белые моллюски, креветки, крабы, отдельные виды рыб. Поражает очень высокая плотность биомассы -до 15 кг/м , в других местах на такой же глубине - до 0,01 кг/м (в 1500 раз больше).

Глубоководная зона характеризуется полной темнотой, огромным давлением. Адаптация - редукция плавательного пузыря, органов зрения, развитие органов свечения и т.п.

Рифтовая зона - кроме полной темноты, высокое содержание сероводорода и ядовитых металлов, имеются выходы термальных источников. Аналогичные участки встречаются в других районах океана.

В данной экосистеме серные бактерии играют роль растений, используя вместо солнечного света сероводород и соединения серы (хемосинтез).

Серобактерии - первое звено в пищевой цепи, далее - погонофоры, внутри тела которых обитают бактерии, перерабатывающие сероводород и поставляющие организму необходимые питательные вещества. Также в симбиозе с серобактериями существуют моллюски.

4. Пресноводная экосистема. Например: пруд.

Пищевая цепь: зелёные растения (кувшинки, кубышка, тростник), водоросли фитопланктона - зоопланктон (ракообразные) растительноядные рыбы - хищные рыбы (карп) - хищные рыбы (щука).

5. Экосистема пустыни. Осадки менее 250 мм/год

Распространение: Африка (Сахара), Ближний Восток, Центральная Азия, юго-запад США и т.д. Климат: очень сухой, жаркие дни, холодные ночи

Бывают:

-песчаные (Кара-Кум) -тропические

-каменистые (Сахара) -умеренные

-глинистые (Гоби) -арктические

Растительность: редкостойный кустарник, кактусы, низкие травы, быстро покрывающие землю цветущим ковром после дождей. У растений обширная поверхностная корневая система, перехватывающая влагу редких осадков, или стержневые корни, проникающие до грунтовых вод (30 м. и более).

Животный мир; разнообразные грызуны (суслик, тушканчик), ящерицы, змеи, орлы, грифы, много мелких птиц, насекомые. Особенности: занимают 1/3 поверхности и площадь их возрастает.

6. Саванны.

Осадки - 750 - 1650 мм/год, главным образом во время сезонных дождей.

Распространение - субэкватриальная Африка, Южная Америка, юг Индии.

Климат - сухой, жаркий, большую часть года обильные дожди в течении влажного сезона.

Растительность - трава с редкими листопадными деревьями (акация, кактусы).

Животный мир - крупные растительноядные животные - зебры, антилопы, жирафы, хищники - львы, леопарды, гепарды, термиты (детритофаги).

7. Степи. Осадки - 250 - 750 мм/год

Распространение - центр Северной Америки, Россия, отдельные районы Африки, Австралии.

Климат - сезонный. Лето - от умеренно тёплого до жаркого. Зима -t<0 C.

Растительность - травы (до 2 м. в Северной Америке или <0,5 м. в России) отдельные деревья, кустарники

Животный мир - крупные травоядные - бизоны, антилопы, дикие лошади, кенгуру) жирант, зебры, хищники - львы, леопарды, гепарды, гиены, птицы, мелкие роющие млекопитающие - кролик, суслик.

Особенности - большинство степей превращено в с/х поля -кукуруза, пшеница, соя, пастбища - овцы, рогатый скот.

8. Тропические влажные леса. Осадки - более 2400 мм/год, почти каждый день дождь.

Распространение - север Южной Америки, Центральная Америки, экваториальная Африка, юго-восточная Азия.

Климат - без смены сезонов, среднегодовая температура приблизительно равна 28 С.

Растительность - Самая большая по разнообразию видов и биомассе растений экосистема. Леса с деревьями до 60м. и выше (красное дерево, шерстяное, шоколадное, бальзовое, леопардовое дерево, сандал). На стволах, ветвях - лианы.

Животный мир - очень разнообразен. Обезьяны, змеи, ящерицы, белки-летяги, лягушки, пауки, муравьи, попугаи, колибри, насекомые (много).

Особенности - почвы бедные, большая часть питательных веществ содержится в биомассе поверхностно укоренённой растительности.

9. Лиственные леса. Осадки - 750 -2000 мм/год.

Распространение - восток Северной Америки, Европа, Россия.

Климат - сезонный. Зимние t<0, хотя не ниже -12 С.

Растительность - листопадные деревья. Характеризуются многоярусностью. Деревья - дуб, липа, клён, ясень... Кустарники, травы, мхи, лишайники.

Животный мир - олень, косуля, кабан, заяц, ёж, волк, лиса, рысь. Птицы - тетерев, глухарь,рябчик, дрозд, дятел, синица, сова, сокол В почве - кроты, землеройки, черви,нематоды, клещи...

Особенность - адаптация к сезонному климату - сброс листьев, зимняя спячка, миграция в тёплые страны.

10. Тайга. Осадки - 250 - 750 мм/год.

Распространение - северные районы Северной Америки, Европы, Азии.

Климат - сезонный. Долгая холодная зима, много осадков в виде снега (сохраняет тепло в почве).

Растительность - вечнозелёные хвойные - кедр, сосна, ель, пихта, лиственница.

Животный мир - травоядные - лось, олень, заяц, белка, грызуны. Хищники - рысь, волк, лиса, медведь, норка, росомаха. Множество птиц - рябчик, глухарь, дятел... Кровососущие - 40 видов мошек.

Особенности - много озёр и болот, толстая подстилка из хвои.

11. Тундра.

Осадки - менее 250 мм/год.

Распространение - север Евразии и Северной Америки.

Климат - сезонный. Очень холодная длинная зима (полярная ночь). Среднегодовая температура ниже -15 С. Летом вечная мерзлота оттаивает всего на метр.

Растительность - мхи, лишайники, травы, низкорослые кустарники (адаптация - холодостойкость), голубика, морошка, брусника.

Животный мир - мелкие млекопитающие сурки, суслики, лемминги. Хищники - песец, горностай, волк, сова. Северный олень, зайцы. Множество птиц - гуси, куропатки, утки, кулики. Комары, оводы, пауки.

Особенности - болотистые почвы.

Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

Люди со своими культурными растениями и домашними животными образуют экосистему человека, которая взаимодействует со всеми другими экосистемами планеты..

Биотическая структура экосистемы.

Несмотря на громадное разнообразие экосистем - от тропических лесов до пустынь, леса, болота, озера, по мнению экологов им свойственна одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом, стереотипным образом. Это следующие категории: зелёные растения, консументы, детритофаги.

1. Зелёные растения.

Это в основном зеленые растения (одноклеточные водоросли, травы, деревья, и т.д.).

Фотосинтез - это химическая реакция, протекающая при участии хлорофилла клетки зеленых растений за счет солнечной энергии. СО₂ из воздуха, Н₂О из почвы и солнечная энергия - получается глюкоза (простейший из Сахаров) и О . Фотосинтез идет в каждой клетке зеленых листьев.

6СO₂+6 Н₂O + Q = C₆H₁₂O₆+6O₆

О₂ выделяется в атмосферу. Из глюкозы и минеральных элементов из почвы растения синтезируют сложные вещества, входящие в состав организма (белки, жиры, углеводы, ДНК и т.д.).

CO₂

фотосинтез

глюкоза

белки, жиры, углеводы, ДНК

Минеральные вещества N,P,K

H₂O

Т.о. растения продуцируют сложные органические соединения из простых неорганических (СO , Н О). При этом солнечная энергия накапливается в органических соединениях наряду с химическими элементами.

2. Консументы.

Животные питаются органическими веществом, используя его как источник энергии и материал для формирования своего тела. Т.е. зелёные растения продуцируют пищу для других организмов экосистемы. К консументам относятся рыбы, птицы, млекопитающие... и человек. уровням

Животные, питающиеся непосредственно растениями, называются первичными консументами (растительноядные). Их самих употребляют в пищу вторичные консументы (хищники). Бывают консументы третьего, четвёртого и более высоких порядков. Заяц ест морковь - первичный консумент, лиса, съевшая зайца - вторичный консумент. Человек - ест овощи - первичный консумент, а мясо - вторичный, хищную рыбу (щуку) - третьего порядка. Т.е. организм может соответствовать различным и называется- всеядный.

3. Детритофаги.

Это организмы, которые питаются мёртвыми растительными и животными остатками (опавшие листья, фекали, мёртвые животные - это называется детрит).

Это грифы, гиены, черви, раки, термиты, муравьи, грибы, бактерии и т.д. Их главная роль - питаясь мёртвой органикой детритофаги разлагают её. Отмирая, сами становятся частью детрита.

Некоторые организмы не укладываются в эту схему. Например: насекомоядные растения. Они улавливают насекомых, частично переваривают их с помощью ферментов и органических кислот, в результате чего восполняют недостаток азота и других питательных веществ. В России - 20 видов (венерика мухоловка, саррацения, росянка). Обитают в местах с недостатком N, Р, К (болота - очень бедны питательными веществами).

Пищевая сеть. Трофические уровни.

При изучении биотической структуры экосистемы становится очевидным, что одно из важнейших взаимоотношений между организмами - это пищевое. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при котором один организм поедается другим, а тот - третьим и т.д.

Пищевая цепь - это путь движения вещества (источник энергии и строительный материал) в экосистеме от одного организма к другому.

Растение корова

Растение корова человек

Растение кузнечик мышь лиса орёл

Растение жук лягушка змея птица

обозначает направление движения.

В природе пищевые цепи редко изолированы друг от друга. Гораздо чаще представители одного вида (растительноядные) питаются несколькими видами растений, а сами служат пищей для нескольких видов хищников. Перенос вредных веществ в экосистеме.

Пищевая сеть - это сложная сеть пищевых взаимоотношений.

Детритофаги

Орёл Детритофаги V

Лиса Человек Орёл Детритофаги IV

Мышь Заяц Корова Человек Детритофаги III

Пшеница Трава Яблоня I

Несмотря на многообразие пищевых сетей, они все соответствуют общей схеме: от зелёных растений к первичным консументам, от них к вторичным консументам и т.д. и к детритофагам. На последнем месте всегда стоят детритофаги, они замыкают пищевую цепь.

Трофический уровень - это совокупность организмов, занимающих определённое место в пищевой сети.

I трофический уровень - всегда растения,

II трофический уровень - первичные консументы

III трофический уровень - вторичные консументы и т.д.

Детритофаги могут находиться на II и выше трофическом уровне.

Обычно в экосистеме насчитывается 3-4 трофических уровня. Это объясняется тем, что значительная часть потребляемой пищи тратится на энергию (90 - 99 %), поэтому масса каждого трофического уровня меньше предыдущего. На формирование тела организма идет относительно немного (1 - 10 %.Соотношение между растениями, консументами, детритофагами выражают в виде пирамид.

Пирамида биомассы - показывает соотношение биомасс различных организмов на трофических уровнях.

Пирамида энергии- показывает поток энергии через экосистему. (см.рис.)

Очевидно, что существование большего числа трофических уровней невозможно, из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

III 3,5 дж вторичный консумент (волк)

II 500 дж первичный консумент (корова)

I 6200 дж растения

2,6*10 дж поглощено солнечной энергии

1,3*10 дж падает на поверхность земли на

некоторую площадь

Пирамида энергии

III 10 кг лиса (1 )

II 100 кг заяц (10 )

I 1000 кг растения на лугу (100 )

Пирамида биомассы.

Автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы - это организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию.

К ним относятся растения (только растения). Они синтезируют из СО , Н О (неорганические молекулы) под воздействием солнечной энергии - глюкозу (органические молекулы) и О . Они составляют первое звено в пищевой цепи и находятся на 1 трофическом уровне.

Гетсротрофы - это организмы, которые не могут строить собственное тело из неорганических соединений, а вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу.

К ним относятся консументы и детритофаги. И находятся на II и выше трофическом уровне. Человек тоже гетеротроф.

Вернадскому принадлежит идея, что возможно превращение человеческого общества из гетеротрофного и автотрофное. В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофности, но общество в целом способно осуществить автотрофный способ производства пищи, т.е. замена природных соединений (белки, жиры, углеводы) на органические соединения, синтезированные из неорганических молекул или атомов.

Изменение вещества и энергии в организмах.

Зелёные растения.

В растениях происходит процесс фотосинтеза, при котором из СО , Н О и солнечной энергии получаются глюкоза и О . При этом солнечная кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы. Глюкоза - это органическая молекула с высокой потенциальной энергией. Из солнечной энергии около 2 % превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы.

Глюкоза в растениях выполняет 2 функции:

1. Служит строительным материалом тела, т.е. из глюкозы образуются сложные органические молекулы (крахмал, целлюлоза, липиды, белки, нуклеиновые кислоты).

2. Источник энергии для всех процессов жизнедеятельности растений, т.е. построение тканей, поглощение питательных элементов из почвы, дыхание.

Фотосинтез Глюкоза

Клеточное Строительство

СО дыхание тканей

Энергия

СО

Заяц Лиса

экскременты

Н О скременты

С₆Н₁₂О₆ + О₂ Þ 6СО₂ + 6H₂О + Q

Процесс расщепления органических молекул с выделением энергии называется клеточным дыханием. Т.е. молекула глюкозы в присутствии кислорода разрушается до ÑО , Н О с выделением энергии. Данный процесс идёт в каждой клетке и в целом противоположен фотосинтезу.

Травы - энергия 40-50%

Деревья - 70-80% (в основном на дыхание)

Продуктивность экосистем, т/м²×год:

• Влажные тропические леса - 2200, лиственные леса – 1200, тайга – 800, тундра – 140, пустыни - 90, озера, реки - 250, океан - 80

Т.о. только часть глюкозы используется растением для своего роста, а другая часть вновь разрушается с выделением энергии, необходимой для протекания физиологических процессов.

Консументы.

Животным свойственна активная выработка кинетической энергии (движение, бег, поддержание постоянной температуры тела, дыхание и т.д.). Источник энергии - потенциальная энергия органических молекул, потребляемых в составе пищи. Значительная часть пищи (90 - 99 %) разрушается с высвобождением энергии, обеспечивающий все функции организма и теряющейся в конце концов в виде выделяемого телом тепла.

Строительная роль пищи.

Часть съеденной, переваренной и поступившей в кровь пищи служит сырьём для роста и обновления тканей тела. Для этого также необходимые определённые витамины и микроэлементы (Fe, Си, Mn, Zn). Если в пище нет какого-либо из необходимых ингредиентов, сколько бы калорий не содержала пища, неизбежны функциональные расстройства.

Неусвояемое вещество.

Часть пищи не переваривается и просто проходит через пищеварительный тракт и выводится в виде фекалий или экскрементов.

Детритофаги - аналогично консументам.

рост тканей тела.

Пища клеточное дыхание О

органическое (энергия) вещество с высокой

потенциальной энергией СО

Н О, N, Р... (с мочой)

экскременты

Т.о. происходит превращение энергии из одной формы в другую, а именно солнечной энергии в потенциальную энергию, запасаемую растениями, а её-в другие виды по мере прохождения по пищевой цепи. На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии пищи расходуется на жизненные функции и часть теряется в виде тепла. Т.е. происходит поток энергии через систему.

Зелёные Первичные Вторичные

растения консументы консументы

Детритофаги

Минеральные

вещества Тепло

энергия

---- вещество

Принцип функционирования экосистем.

1. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках кругооборота всех элементов. Мы видим как четко взаимодействуют растения, консументы и детритофаги, поглощая и выделяя различные вещества. Органика и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для питания и дыхания. А выделяемый консументами СО и минеральные вещества мочи - необходимы растениям.

2. Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Солнечная энергия химическая потенциальная энергия растений (передаётся по пищевым цепям) теряется в виде тепла

Избыток- растения используют 0,5% от падающей на Землю

Вечная - несколько млрд. лет

3. Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый его трофический уровень (99 % на энергию).

Закон лимитирующего фактора.

Для разных видов растений и животных условия, в которых они особенно хорошо себя чувствуют, неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень влажную почву, другие - сухую. Одни требуют сильной жары, другие лучше переносят более холодную среду и т.п. В лабораторных экспериментах эти различия проявляются особенно четко.

Проведены следующие лабораторные исследования. Растения выращивают в различных камерах, где контролируются все абиотические факторы. При этом один фактор изменяется, а остальные остаются неизменными. В данном случае изменяется температура / Результаты показывают, что по мере повышения температуры от некоторой величины, ниже которой рост вообще не возможен,,. растение развивается всё лучше и лучше, пока скорость роста не достигнет максимального значения. При дальнейшем повышении температуры растение будет чувствовать себя всё хуже и хуже и в конечном итоге погибнет. Графически это можно изобразить следующим образом.

Скорость

роста

t, С

8 18 28 38

Зона Зона Зона

стресса оптимума стресса

Диапазон устойчивости

Нижний предел Верхний предел

У каждого фактора, влияющего на рост, размножение и выживание организма, есть оптимум, зона стресса и далее зона, в которой существование данного организма не возможно.

Зона оптимума - это обычно диапазон температур, а не конкретная величина т.е. диапазон температур, при которых максимальна скорость роста.

Слева и справа от зоны оптимума находятся зоны стресса, в них растение испытывает стресс с скорость роста резко уменьшается.

Диапазон устойчивости - диапазон температур, в котором возможен рост растения.

Предел устойчивости - минимальная и максимальная температура пригодная для жизни.

Сходные эксперименты можно провести и дня проверки влияния других факторов, причём результаты графически всегда одинаковы.

Подобные эксперименты показывают, что виды могут существенно различаться с точки зрения оптимальных условий и пределов устойчивости. Например, количество воды оптимальное для одного вида вызывает стресс у другого и приводит к гибели третий вид. Некоторые растения вообще не переносят заморозков (t<0°C), это ведёт к их гибели, другие растения способны выжить при небольших холодах, а есть растения, для которых несколько недель отрицательных температур - необходимое условие завершения жизненного цикла. То же самое справедливо и для других экологических факторов.

В описанном выше эксперименте изменялся только один фактор, а остальные как бы соответствовали зоне оптимума. Таким образом мы наблюдали действие закона лимитирующего фактора.

Даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а в пределе - к его гибели.

Такой фактор называется лимитирующим. Это относится к любому влияющему на рост параметру, которого «слишком мало» или «слишком много». Например, гибель растений вызывается и чрезмерным поливом и избытком удобрений, так и недостатком воды и питательных веществ. Это известно садоводам.

Закон лимитирующего фактора был сформулирован Либихом в 1840 году в ходе его наблюдений за влиянием на растения минеральных удобрений. Он обнаружил, что ограничение дозы любого удобрения ведёт к одинаковому результату - замедлению роста.

Дальнейшие наблюдения показали, что он относится ко всем влияющим на организм абиотическим и биотическим факторам. Это может быть и конкуренция, хищничество и паразитизм.

Кругооборот веществ в биосфере.

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический.

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течении длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом.

Содержание химических элементов в теле человека.

О -62,81%, С-19,37%, H-9,31%, N-5,14%, Ca-1,38%, Р-0,64%, S-0,63%, Na- 0,26%, К-0,22%, CI-0,18%, Mg-0,04%, F-0,009%, Fe - 0,005 %, Mn-0,0001%.

Микро и макро элементы.

Человек:

Макро: - С, Н, N, О, S, Р.

Микро: - Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se.

Растения:

Микро для фотосинтеза - Mg, Fe, Zn, V, Cl.

1.Кругооборот углерода.

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод - составная часть скальных пород и в виде СО - часть атмосферного воздуха. Источники СО - вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается СО с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО хорошо растворяется в воде (чем ниже температура - тем выше растворимость, т.е. СО больше в низких широтах). Океан действует как гигантский насос: поглощает СО в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество СО в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с Са, К, Na, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО . Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.

О₂

Фотосинтез Глюкоза

СО₂

СО

Клеточное дыхание

СО₂

Рост тканей

Заяц Лиса

Н О

СО₂

СО СО

Углерод С из молекулы СО₂ в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО₂.

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе - так возникает био- технический кругооборот углерода.

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10 т), в кристаллических породах (1-10 т), в угле и нефти (3,4- 10 т). Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10 т).

2. Кругооборот фосфора.

Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток, в костную ткань. В различных минералах фосфор содержится в виде ионов PO . Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают ионы PO из водного раствора и включают в состав различных органов соединений. По пищевым цепям он переходит от растений к другим организмам. На каждом этапе фосфор может быть выведен из организма в составе мочи.

Разница с кругооборотом углерода - в кругообороте углерода есть газообразная фаза (СО₂), у фосфора - газовой фазы нет.

Фосфаты циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие фосфор отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так и происходит. Фосфор может также поступать с моющими средствами и удобрениями.

Кругооборот азота.

Азот входит в состав белков.

Кругооборот азота несколько сложен, т.к. он включает газообразную и минеральную фазу.

Основная часть азота находится в воздухе (78%). Однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов NH₄⁺ и NO₃^-.

Существуют бактерии и сине-зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений. Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. Органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (NO₃). Нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до N₂, вновь поступающего в атмосферу.

Насколько регулярно осуществляется кругооборот любого элемента, зависит продуктивность экосистемы, что важно для с/хозяйства и выращивания лесов. Вмешательство человека нарушает процессы кругооборота. Вырубка леса и сжигание топлива влияет на кругооборот углерода.

Считается, что время переноса углерода - 8 лет, N2 - 110 лет, кислорода - 2500 лет.

Кругооборот воды.

Нам знакомы 3 состояния воды: твёрдое - лёд, жидкое - собственно вода, газообразное - водяной пар. Количество водяного пара в воздухе определяют как влажность, обычно в %.

Главный источник поступления воды - атмосферные осадки,а глав-

ный источник расхода - испарение.

Продолжительность кругооборота:

океан (3000 лет), подземные воды (5000 лет), полярные ледники (8500 лет), озера (17 лет), реки (10 дней), вода в живых организмах - несколько часов

Т.к. океаны занимают 70% поверхности Земли, то вода попадает в воздух, главным образом, испаряясь с поверхности океана. Испарение идёт с поверхности озёр, рек, почвы и т.д.

Когда воздух, максимально насыщенный водяным паром, охлаждается, то вода конденсируется: её молекулы соединяются в капельки. В атмосфере вода конденсируется на частичках пыли, в результате чего образуются туман и облака. Когда эти капли или кристаллики льда становятся достаточно крупными, то идёт дождь или снег.

Вода, попадающая на землю, или впитывается в почву или стекает по ней. По поверхности вода стекает в ручьи, реки, далее в океан, где происходит испарение. Вода, впитавшаяся в почву, или удерживается в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, и возвращается в атмосферу при испарении, или просачивается вниз по трещинам под действием силы тяжести, достигая непроницаемого слоя горной породы, накапливается и называется грунтовыми водами. Далее вода вытекает на поверхность и образует родники, а родники питают ручьи и т.д.

При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Когда водяной пар конденсируется из него образуется только вода. Т.о. земля и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель (опреснителя - солёная вода океана).

Биотический потенциал и сопротивление среды.

Сохранение или рост численности зависит не только от скорости размножения (число новорожденных, отложенных яиц, произведённых семян или спор в единицу времени). Не менее важно и пополнение взрослого состава популяции за счёт потомства. Высокая скорость размножения при низких темпах пополнения не может существенно увеличить её численность.

Например - рыбы вымётывают тысячи или миллионы икринок, но лишь ничтожно малая часть выживает и превращается во взрослое животное. Растения рассеивают огромное количество семян.

И напротив, размер популяции может расти за счёт увеличения темпов пополнения при малой скорости размножения. Это относится к людям (рождаемость низкая, но детская смертность низкая, поэтому практически все дети доживают до взрослого возраста).

Другим важным фактором, ведущим к росту популяции, относится способность животных мигрировать, а семян рассеиваться на новых территориях, приспосабливаться к новым местам обитания и заселять их, наличие защищённых механизмов и устойчивость к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Биотический потенциал - это совокупность факторов, способствующих

увеличению численности вида.

У разных видов составляющие биотического потенциала неодинаковы, но они имеют одно общее свойство - стремительное увеличение численности при благоприятных условиях среды. В естественных условиях такое наблюдается редко. Вероятность того, что все условия окажутся благоприятными очень низка. Обычно один или несколько факторов (t, влажность, солёность, хищники, паразиты, нехватка пищи) становятся лимитирующими. Сочетание всех таких «ограничителей» называют сопротивлением среды. Сильнее всего они действуют на молодых особей, а это снижает темпы пополнения. При более суровых условиях гибнет часть взрослых особей.

Следовательно: рост, снижение и постоянство популяции зависит от соотношения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды.

сопротивление среды: -нехватка питания - нехватка воды - нехватка подходящих мест обитания -неблагоприятные погодные условия -хищники -болезни -паразиты -конкуренты

Уменьшение численности

Увеличение численности

биотический потенциал: -рождаемость -способность к расселению -способность к захвату новых мест обитания -защитные механизмы -способность выдерживать неблагоприятные условия

Принцип изменения популяции: это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды.

Подобное равновесие является динамическим, т.е. непрерывно

регулирующимся, т.к. факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. Например: в один год численность популяции снизилась из-за засухи, а в следующий год полностью восстановилась при обильных дождях. Подобные колебания продолжаются неопределённо долго. Равновесие - понятие относительное. Иногда амплитуда отклонений мала, иногда значительна, но пока сократившаяся популяция способна восстановить прежнюю численность, она существует.

Равновесие в природных системах зависит от плотности популяции, т.е. числа особей на единицу площади. Если плотность популяции растёт - сопротивление среды увеличивается, в связи с чем увеличивается смертность и рост численности прекращается. И наоборот, с уменьшением плотности популяции - сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность.

Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от плотности популяции. Разрушение экосистем, загрязнение окружающей среды одинаково влияют на популяции как с низкой, так и высокой плотностью.

Кроме этого, биотический потенциал зависит от критической

численности популяции. Если численность популяции (оленей, птиц или рыб) падает ниже этой величины, гарантирующей воспроизводство, биотический потенциал стремится к нулю и вымирание неизбежно.

Существование может быть поставлено под угрозу, даже когда множество представителей вида живы, но живут в домашних условиях, т.е. изолированы друг от друга (попугаи).

Равновесие экосистемы.

Гомеостаз - это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы (гомео - тот же, стазис - состояние).

Равновесие в экосистемах поддерживается процессами с обратнойсвязью.

Рассмотрим простейшую экосистему: заяц-рысь, состоящую из двух трофических уровнях.

Рост популяции жертвы (заяц).

Рост популяции хищника (рысь).

Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детёнышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь. Однако с ростом численности зайцев уменьшается количество корма, убежищ и усиливается хищничество, т.е. усиливается сопротивление среды. В результате численность зайцев -снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное

состояние.

Подобные колебания происходят периодически вокруг некого среднего уровня.

Численность

заяц

рысь

резкое изменение гибель время

факторов

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник, или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Засуха нижает продуктивность растений и ограничивает пищу для зайцев, что немедленно отразиться на хищнике.

При появлении помех в системе «заяц-рысь» станет меньше и зайцев и рысей. Стабильность системы в целом не нарушается, но объём трофических уровней изменится. При этом новый уровень стабильности опять будет обеспечиваться механизмами обратной связи.

Понятно, что давление помех не может быть беспредельным. При массовой гибели зайцев экосистема за счёт обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит своё существование.

гибель

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны сохранить устойчивость системы, хотя и в изменённом виде, называют гомеостатическим плато.

гомеостатическое плато

нижний предел отрицательной свчязи

гибель

верхний предел положительной связи

Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т.е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

Экосистема человека:

80% производимой пищи основано на потреблении 5 видов (пшеница, рис, кукуруза, соя, сахарный тростник).

Экологическая ниша.

Местообитание - это место, где живёт организм (лес, луг, болото, внутри другого организма).

Экологическая ниша - пространственно-временное положение организма в рамках экосистемы (где, когда и чем питается, где устраивает гнездо и т.п.)

На первый взгляд кажется, что животные должны конкурировать друг с другом за пищу и убежища. Однако это происходит редко, т.к. они занимают разные экологические ниши. Пример: дятлы извлекают личинки из-под коры, воробьи- зерном. И мухоловки и летучие мыши ловят мошкару, но в разное время - днём и ночью. Жираф поедает листья с верхушек деревьев и не конкурирует с другими травоядными.

У каждого вида животных своя ниша, что сводит к минимуму конкуренцию с другими видами. Поэтому в сбалансированной экосистеме присутствие одного вида обычно не угрожает другому.

Адаптация к разным нишам связана с действием закона лимитирующего фактора. Пытаясь использовать ресурсы за пределами своей ниши животное сталкивается со стрессом, т.е. с ростом сопротивления среды. Иными словами, в собственной нише его конкурентоспособность велика, а вне её значительно ослабевает или

пропадает вовсе.

Адаптация животных к определённым нишам заняла миллионы лет и протекала в каждой экосистеме по-своему. Ввезённые из других экосистем виды могут вызвать вымирание местных именно в результате успешной конкуренции за их ниши.

Пример:

1. Скворцы, завезённые в Северную Америку из Европы, за счёт своего агрессивного территориального поведения вытеснили местных «синих» птиц.

2. Одичавшие ослы потравили пустынные экосистемы, вытеснив оттуда снежного барана.

3. В 1859 году в Австралию из Англии завезли кроликов для спортивной охоты. Природные условия оказались для них благоприятными, а местные хищники - не опасными. В результате кролики расплодились на столько, что уничтожили обширные территории пастбищ. Лисы, привезённые для уничтожения кроликов нашли более лёгкую добычу (местных сумчатых). Лишь позже удалось определить паразита и решить проблему.

4. Земледельцы ищут методы борьбы с сорняком ранее не встречавшимся в нильской долине. Невысокое растение с крупными листьями и мощным корнем уже несколько лет ведёт наступление на обрабатываемые земли Египта. Местные агрономы считают его чрезвычайно активным вредителем. Оказывается, что это растение известно в Европе под названием «хрен деревенский». Вероятно его завезли русские специалисты, строившие металлургический комбинат.

Концепция экологической ниши применима и к растениям. Как и у животных их конкурентоспособность высока лишь в определённых условиях.

Пример: Платаны растут по берегам рек и в поймах, дубы на склонах. Платан приспособлен к переувлажнённой почве. Семена платана распространяются вверх по склону и этот вид может расти там при отсутствии дубов. Аналогично, жёлуди, попадая в пойму, гибнут из-за избытка влаги и не способны конкурировать с платанами.

Экологическая ниша человека - состав воздуха, воды, пищи, климатические условия, уровень электромагнитного, ультрафиолетового, радиоактивного излучения и пр.

Адаптация, изменение или вымирание экосистем.

В природе каждое поколение любого вида подвергается отбору на выживаемость и воспроизводство. Особи, которые выживают и размножаются, передают свои гены следующему поколению, а гены тех, что погибли, не оставив потомства, отсеиваются из генофонда. Таким образом генофонд каждого вида испытывает действие естественного отбора. Поэтому почти все признаки организма служат выживанию и воспроиз