Экология и экосистемы

Экология — наука о взаимоотношениях организмов друг с другом и со средой обитания (термин ввёл Э. Геккель в 1866 году). На экзамене спрашивают факторы среды и их закономерности, типы взаимоотношений организмов, расчётные задачи на цепи питания и экологическую пирамиду, сукцессии и агроценозы.

§1. Факторы среды

Элементы среды, действующие на организм, называют экологическими факторами:

• Абиотические — факторы неживой природы: свет, температура, влажность, состав воздуха и воды, почва, рельеф, давление.
• Биотические — влияние других организмов: питание, конкуренция, паразитизм, опыление и др.
• Антропогенные — деятельность человека: вырубка лесов, распашка, загрязнение, строительство, охота.

Организмы с широкими пределами выносливости — эврибионты, с узкими — стенобионты.

Свет: растения бывают светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые. Реакция на длину дня — фотопериодизм: растения короткого дня (южного происхождения, например хлопчатник, рис) и длинного дня (северные, например пшеница, рожь). У животных длина дня определяет сроки линьки, миграций, размножения.
Температура: у холоднокровных (пойкилотермных) животных температура тела зависит от среды (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, беспозвоночные); теплокровные (гомойотермные) — птицы и млекопитающие.
Влажность: растения — гидрофиты (в воде), гигрофиты (во влажных местах), мезофиты (при средней влажности), ксерофиты (в сухих местах: суккуленты запасают воду, например кактус; склерофиты — жёсткие, мелколистные, с глубокими корнями, например саксаул, верблюжья колючка).

§2. Среды обитания

• Водная среда: планктон — пассивно парящие в толще воды (мелкие водоросли, рачки); нектон — активно плавающие (рыбы, киты); бентос — обитатели дна (моллюски, некоторые водоросли).
• Наземно-воздушная среда — много кислорода, но температура и влажность резко меняются.
• Почвенная среда — нет света, температура стабильна; обитатели — эдафобионты (дождевой червь, крот).
• Живой организм — среда для паразитов: внутренних (аскарида) и наружных (вошь, клещ).

§3. Взаимоотношения организмов

Обозначения: + — польза, − — вред, 0 — нет влияния.

• Нейтрализм (0 0) — прямого влияния нет: белка и лось в одном лесу.
• Мутуализм (+ +) — выгоден обоим и часто обязателен: гриб и водоросль в лишайнике, микориза (гриб и корни дерева), бобовые и клубеньковые бактерии, термит и одноклеточные в его кишечнике.
• Комменсализм (+ 0) — одному польза, другому безразлично: рыба-прилипала и акула, животные, питающиеся остатками добычи хищника.
• Аменсализм (− 0) — одному вред, другому безразлично: угнетение светолюбивых трав в тени высоких деревьев.
• Конкуренция (− −) — борьба за общий ресурс: сорняки и культурные растения.
• Хищничество и паразитизм (+ −): волк и заяц; аскарида и человек.

Пример

Определите тип отношений: 1) бобовое растение и клубеньковые бактерии; 2) волк и лиса охотятся на одну популяцию зайцев; 3) эхинококк в организме коровы.

1. Растение снабжает бактерий органикой, бактерии связывают азот воздуха — мутуализм (+ +).
2. Два хищника нуждаются в одной добыче — конкуренция (− −).
3. Паразит живёт за счёт хозяина — паразитизм (+ −).

§4. Популяция и её показатели

Популяция — совокупность особей одного вида, длительно населяющих определённую территорию, свободно скрещивающихся между собой и относительно обособленных от других таких групп. Популяция — форма существования вида и элементарная единица эволюции.

Основные показатели популяции:

• численность — общее число особей;
• плотность — число особей на единицу площади или объёма;
• рождаемость и смертность — число родившихся и погибших особей за единицу времени;
• возрастная структура — соотношение возрастных групп: если много молодых, популяция растёт, если много старых — сокращается;
• половая структура — соотношение самцов и самок.

При неограниченных ресурсах популяция быстро растёт по J-образной (экспоненциальной) кривой; в реальных условиях пища, место и другие ресурсы ограничены, рост замедляется и получается S-образная кривая — численность приближается к уровню, который может выдержать среда (ёмкость среды), и колеблется около него.

Факторы регуляции численности: нехватка пищи, хищники, паразиты и болезни, конкуренция, погода. При росте плотности действие большинства факторов усиливается (пищи меньше, болезни распространяются быстрее) — это возвращает численность к равновесию. Периодические колебания численности — популяционные волны («волны жизни», С. С. Четвериков). Например, когда зайцев становится много, растёт и число питающихся ими хищников, затем зайцев становится меньше, и с некоторым запозданием сокращается число хищников. В малой популяции из-за случайных событий может теряться генетическое разнообразие — поэтому при охране редких видов важно увеличивать их численность.

Пример

В заповеднике в начале года было 200 зайцев. За год родилось 60 зайчат, погибло 20 зайцев (миграции нет). Какова численность в конце года и темп прироста?

1. Прирост: 60 − 20 = 40.
2. Численность в конце года: 200 + 40 = 240.
3. Темп прироста: 40 / 200 × 100% = 20%.
4. Ответ: 240 зайцев, годовой прирост 20%.

Пример

На участке площадью 4 гектара учтено 120 полёвок. Найдите плотность. Сколько будет полёвок, если плотность достигнет 60 особей на гектар?

1. Плотность: 120 / 4 = 30 особей/га.
2. Новая численность: 60 × 4 = 240 особей.
3. Ответ: 30 особей/га; при плотности 60 особей/га — 240 полёвок (численность удвоилась).

§5. Экосистема, цепи питания и экологическая пирамида

Биогеоценоз (В. Н. Сукачёв) или экосистема (А. Тенсли) — единая система живых организмов и неживой среды на определённой территории, связанных обменом веществ и энергии.

Функциональные группы экосистемы:

• Продуценты — автотрофы, создающие органические вещества из неорганических (зелёные растения, цианобактерии, хемосинтетики).
• Консументы — потребители готовых органических веществ: I порядка (растительноядные), II порядка (хищники, поедающие растительноядных), III порядка и т. д.
• Редуценты — разрушают органические остатки до минеральных веществ (бактерии, грибы).

Цепь питания — перенос вещества и энергии с одного трофического уровня на другой. Пастбищные цепи начинаются с продуцентов, детритные — с мёртвых органических остатков.

Пример

Цепь: трава → кузнечик → лягушка → змея → орёл. Сколько травы нужно, чтобы масса орла увеличилась на 5 кг? Консументом какого порядка является орёл?

1. На каждом уровне переходит 10%, то есть при движении вниз по цепи масса умножается на 10.
2. Змея: 5 × 10 = 50 кг; лягушка: 500 кг; кузнечик: 5 000 кг; трава: 50 000 кг.
3. Порядок консументов: кузнечик — I, лягушка — II, змея — III, орёл — IV порядка.
4. Ответ: 50 т травы; орёл — консумент IV порядка.

§6. Смена экосистем и агроценозы

Сукцессия — закономерная смена одного сообщества другим.

• Первичная — на месте, где жизни не было (голые скалы, пески): первыми поселяются лишайники, затем мхи, травы, кустарники, деревья; постепенно образуется почва.
• Вторичная — на месте нарушенного сообщества (после пожара, вырубки, на заброшенном поле); почва сохранена, поэтому идёт быстрее.

Сукцессия заканчивается устойчивым, сбалансированным климаксным сообществом.

Агроценоз (искусственная экосистема: поле, сад) отличается от естественной:

• видовое разнообразие мало, часто один главный вид (монокультура);
• цепи питания короткие, экосистема неустойчива;
• кроме естественного действует искусственный отбор;
• кроме солнечной энергии затрачивается энергия человека (обработка, удобрения, полив);
• с урожаем вещества выносятся, круговорот не замкнут — нужны удобрения.

Проверьте себя

1. Какой фактор главный ограничивающий для растений пустыни?

2. Как называются отношения акулы и рыбы-прилипалы?

3. Консументом какого порядка является первое животное после растения в цепи?

4. Сколько растений нужно, чтобы сова прибавила 1 кг в цепи «растения → мыши → сова»?

5. Какие организмы первыми поселяются на голых скалах?

6. Почему агроценоз менее устойчив, чем естественная экосистема?

7. В популяции 500 особей, за год родилось 50, погибло 75. Численность в конце года?

8. Какой кривой описывается рост популяции при ограниченных ресурсах?

Типичные ошибки

• Неверно считать порядок консументов — следующий за растением организм — консумент I порядка.
• Путать комменсализм и аменсализм: комменсализм + 0, аменсализм − 0.
• При расчёте вниз по цепи делить на 10 вместо умножения (нижний уровень в 10 раз массивнее).
• Путать планктон и нектон: планктон — пассивно парящие, нектон — активно плавающие.
• Относить редуцентов к консументам — это отдельная функциональная группа.
• Считать круговорот веществ в агроценозе замкнутым — с урожаем вещества выносятся.