Чем выгодны для человека незрелые сообщества. Биология в лицее

Незрелые сообщества находятся на различных стадиях развития, а зрелые – климаксные Круговорот веществ и поток энергии в них сбалансированы, одни организмы используют продукты жизнедеятельности других. Климаксные сообщества способны к длительному самоподдержанию в соответствующем диапазоне существующих условий среды..
Проект. Территорию Южного Урала (ЮУ) занимают 2 типа растительности – лесная и степная. Лесная область охватывает западную и северную части ЮУ. В формировании лесных сообществ ЮУ участвуют 11 основных лесообразующих пород. Часть древесных видов имеют широкий ареал и распространены в пределах всей лесной области ЮУ (сосна обыкновенная, лиственница Сукачева, березы повислая и пушистая, осина, ольха серая). Другая часть видов, включающая наиболее значимые (климаксовые) виды – широколиственные и темнохвойные породы, распространены лишь на части лесной области ЮУ. Широколиственные породы (дуб черешчатый, клен остролистный, липа мелколистная и ильм горный) распространены в западной части лесного региона, восточная граница ареала дуба пересекает ЮУ с севера на юг. Темнохвойные породы (ель сибирская, пихта сибирская) произрастают в северной части ЮУ, граница ареала пересекает ЮУ запада на восток. На территории ЮУ перечисленные древесные виды в разных комбинациях формируют различных типы леса. Состав древостоев и соотношение видов определяются условиями экотопов и эколого-биологическими свойствами видов.
Климаксовые леса (klimax – лестница;, леса, в которых не нарушается естественное течение сукцессии, что приводит к формированию относительно стабильного (климаксового) сообщества, характеризующегося равновесием между фауной, флорой и окружающей средой и сохраняющегося неопределенно долго без вмешательства извне.
Леса Южного Урала – это сложившиеся ненарушенные экосистемы возрастом от 2 до 4,5 тыс. лет, расположенные на труднодоступных или охраняемых территориях. Их видовое разнообразие определяется в основном абиотическими факторами, такими как количество тепла, богатство почв, режим увлажнения. Доминирующие виды деревьев в большой степени регулируют условия вегетации остальных растений. Во всех исследованных участках леса наблюдается взаимопроникновение видов из соседних фитоценозов, причем доля «своих» видов не превышает 50%. В лесах западного и восточного склонов гор при оптимальных условиях возрастает роль видов своего сообщества, в лесах центрально-возвышенной части биоразнообразие складывается видами соседних растительных сообществ.
Видовое богатство растительности Южного Урала во многом зависит от истории, географического положения и характера рельефа территорий.
На протяжении своей истории горы Южного Урала то разрушались до состояния холмистой равнины, то вновь поднимались. Южно-уральская флора формировалась в периоды похолоданий и потеплений климата, происходивших в голоцене и плейстоцене. В результате Южный Урал заселяли растения различного происхождения и экологии.
По восточному склону Уральского хребта проходит условная граница между двумя частями света – Европой и Азией. Уральские горы являются важным климатическим рубежом, они создают препятствие на пути западных воздушных масс, несущих дожди и неустойчивую погоду. Осадки распределяются неравномерно, наибольшее их количество выпадает на наветренных склонах и вершинах наиболее высоких гор, континентальность климата возрастает с северо-запада на юго-восток. Именно это определяет значительные различия флоры европейского (западного) и азиатского (восточного) склонов.
Лес – сложное сочетание множества разнообразных растений, которые сильно различаются по своим размерам, строению, размножению, типу питания и т. д. Это как бы своеобразный живой механизм, большой и очень сложный, а отдельные растения – его части, детали. Деревья и все другие растения в лесу тесно связаны между собой в своей жизнедеятельности, влияют друг на друга.
Вот почему лес называют растительным сообществом или фитоценозом. Это действительно нечто целостное, слаженное, со своими внутренними связями, а не случайный набор отдельных растений.
Современные естественные леса прошли долгий путь становления и развития. На протяжении многих веков в лесу подбирался определённый состав растений, способных к совместному существованию. Время от времени под полог леса тем или иным путём проникали новые растения, но далеко не все из них выживали, сохранялись. Полноправными членами растительного сообщества становились лишь самые стойкие, наиболее приспособленные к жизни в данных условиях. Лесное растительное сообщество образуют только такие растения, которые способны успешно противостоять влиянию соседей.

Саморазвитие экосистем - сукцессии

В природе существуют как стабильные, так и нестабильные экосистемы. Дубрава, ковыльная степь, ельники темнохвойной тайги - это примеры длительно существующих, устойчивых экосистем. Пустоши, сырые луга, мелкие водоемы, если их предоставить самим себе, быстро изменяются. Они постепенно зарастают другой растительностью, заселяются другими животными и превращаются в экосистемы иного типа. На месте болота вырастает лес, на заброшенных пашнях восстанавливается степь и т. д.

Основная причина неустойчивости экосистем - несбалансированность круговорота веществ.

Если в биоценозах деятельность одних видов не компенсирует деятельность других, то условия среды неминуемо изменяются. Популяции меняют среду в неблагоприятную для себя сторону и вытесняются другими видами, для которых новые условия экологически более выгодны. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не сформируется уравновешенное сообщество, которое способно поддержать баланс веществ в экосистеме.

Таким образом в природе происходит развитие экосистем от неустойчивого состояния к устойчивому. Этот процесс называют сукцессией . Например, зарастание небольших озер можно проследить на протяжении одного или нескольких поколений людей. Из-за недостатка кислорода в придонных слоях организмы-разлагатели не в состоянии обеспечить полный распад отмирающих растений. Образуются торфянистые отложения, озеро мелеет, зарастает с краев и превращается в болото. Оно сменяется мокрым лугом, луг - кустарниками, а затем лесом.

Американский ботаник Ф. Клементс в начале века впервые разработал теорию сукцессий . Он установил, что вначале неустойчивые сообщества, возникающие в разных условиях - на скалах, песках, отмелях, в сухих и влажных местообитаниях, сильно различаются по составу видов. Затем, по мере развития, они все включают все большее число общих видов, и в конце концов эти смены часто заканчиваются формированием одного и того же типа устойчивого биоценоза. Например, дубравы могут возникнуть и на месте бывшего водоема, и на месте голых песков, и на заброшенной пашне.

По Клементсу, каждому типу климата соответствует свой основной тип устойчивого сообщества.

Сукцессия начинается на любом участке суши, который обнажился в результате каких-либо причин: на осыпях, отмелях, сыпучих песках, голых скалах, отвалах горных пород, созданных человеком, и др. Она проходит ряд закономерных этапов.

На первом этапе обнажившийся участок заселяется случайно попадающими сюда организмами из окружающих местообитаний: семенами, спорами, летающими и ползающими насекомыми, расселяющимися грызунами, птицами и т. д. Далеко не все из них способны прижиться на этом месте, и многие или погибают, или покидают его. На втором этапе прижившиеся виды начинают осваивать и изменять среду обитания, еще не мешая друг другу.

На третьем этапе, когда участок полностью освоен, обостряются конкурентные отношения. Так как виды изменяют среду в неблагоприятную для себя сторону, часть из них вытесняется и появляются новые. Например, на задернованном участке уже не могут прорастать семена сорняков, которые первыми осваивали эту территорию. Они исчезают. Процесс постепенной смены видового состава может длиться достаточно долго.

На заключительном этапе устанавливается, наконец, постоянный состав сообщества, когда виды распределены по экологическим нишам, не мешая друг другу, связаны пищевыми цепями и взаимовыгодными отношениями и согласованно осуществляют круговорот веществ. В таком биоценозе сильны регуляторные связи, и он может неопределенно долго поддерживать экосистему, пока внешние силы не выведут его из этого состояния.

Таким образом, саморазвитие экосистем осуществляется через отношения между видами и их воздействие на среду обитания, т. е. через закономерные изменения биоценозов.

Смена биоценозов в сукцессиях всегда идет от наименее устойчивого состояния к наиболее устойчивому. Скорость этих изменений постепенно замедляется. Замедление темпов - одна из главных особенностей сукцессии. Приближаясь к устойчивому состоянию, они могут надолго задерживаться на отдельных стадиях. Мелкий водоем зарастает быстрее, чем впоследствии березовый лес на этом месте заменяется дубовым.

Развитие и самовосстановление сообществ со сменами видов происходят в природе в очень разных масштабах. Эти процессы можно, например, наблюдать на выбросах кротов. Их зарастание идет через последовательные этапы и занимает несколько лет. Более длителен процесс восстановления сообщества на обнажениях, образующихся в лесах в результате вывалов старых деревьев, которые часто падают от ветра. Такие участки возвращаются в прежнее состояние по растительности и животному населению через десятки лет. Чем крупнее масштабы нарушений и сдвигов равновесия в природе, тем более длительное время занимают процессы восстановления. Крупные вырубки и пожарища требуют для восстановления устойчивого сообщества 100-200 лет.

Неустойчивые стадии при смене биоценозов называют незрелыми сообществами, устойчивые - зрелыми .

Первыми из деревьев на вырубках, местах пожарищ, залежах, брошенных лугах поселяются березы. Березняк - лес недолговечный. Его развитие продолжается примерно 100-150 лет и сменяется характерным зональным типом растительности - например, широколиственным лесом или ельником.

Направленные изменения биоценозов начинаются и в том случае, если происходят какие-либо частичные нарушения в уже сформировавшейся экосистеме. Они приводят к ее восстановлению, поэтому называются восстановительными сменами или вторичными сукцессиями .

Например, после пожара в еловом лесу ель не может возобновиться сразу, так как ее проростки не выдерживают конкуренции светолюбивых и быстрорастущих трав: кипрея (иван-чая), вейника и др. Травы сменяются зарослями малинника и подростом светолюбивых лиственных деревьев, и лишь под их пологом в тени начинают подрастать молодые елочки. Каждая из этих стадий развития длительнее и устойчивее предыдущей. Процесс восстановления ельника занимает в природе несколько десятилетий.

Для развития биоценозов в ходе сукцессии характерен целый ряд общих закономерностей:

• постепенное увеличение видового разнообразия,
• смена доминирующих видов,
• усложнение цепей питания,
• увеличение в сообществах доли видов с длительными циклами развития,
• усиление взаимовыгодных связей в биоценозах и т. д.

Постепенно нарастают общая биомасса и продукция растений, но также растут и масштабы использования этой продукции в цепях питания. Все это приводит к замедлению темпов изменений и к установлению стабильных экосистем.

В зрелых, устойчивых сообществах все, что наращивают растения, используется гетеротрофами - это главная причина стабилизации экосистем. Если человек изымает продукцию из таких экосистем (например, древесину из зрелых лесов), он неминуемо нарушает их.

На начальных этапах развития биоценозов, пока не сложились цепи питания, в экосистемах создается избыток растительной продукции, и такие биоценозы выгодны человеку.

Быстрые смены сообществ происходят в скоплениях разлагающихся растительных остатков, трупах и навозе животных. Эти сообщества живут за счет запасов энергии, накопленной в мертвых органических остатках. Смена видов идет до тех пор, пока эти запасы полностью не иссякнут. продемонстрировал такие смены в пробирках с сенным настоем.

Быстрые смены сообществ всегда проходят в скоплениях разлагающихся растительных остатков, трупах и навозе животных. Эти сообщества живут за счет запасов энергии, накопленной в мертвых органических остатках. Смены видов идут до тех пор, пока эти запасы полностью не иссякнут.

Г. Ф. Гаузе проде-монстрировал такие смены в пробирках с сенным настоем. Он занес в них несколько капель воды из природного водоема, содержащих разных представителей водной фауны. Животные стали активно размножаться, и начался процесс развития очень неустойчивого сообщества, в котором последовательно доминировали разные виды. Сначала преобладали мелкие бесцветные жгутиковые, их сменили похожие на бобы инфузории-кольподы, затем в массе появились инфузории-туфельки, после них - похожие на цветы сувойки и ползающие инфузории, в последнюю очередь - многоклеточные коловратки, мелкие рачки и другие виды. Сообщество становилось все более разнообразным, но постепенно численность всех видов уменьшилась в связи с истощением сенного настоя.

Деятельность людей постоянно приводит к сменам различных биоценозов - в результате рубок леса, осушения и обводнения земель, выработки торфяников, прокладки дорог и т. д. Частичные или глубокие нарушения экосистем вызывают природные процессы их самовосстановления .

Однако природные возможности не безграничны. Самовосстановление биоценозов часто тормозится различными внешними причинами. Например, ежегодные разливы рек все время нарушают формирование устойчивых биоценозов на их берегах, и здесь сообщества существуют в постоянно незрелом состоянии. Точно так же постоянная вспашка полей предотвращает восстановление естественной растительности на этой территории. Пустыри могут десятилетиями не заселяться растениями или животными, если какой-либо фактор сильно отклоняется от нормы, например, сильно токсичны вывернутые породы, высока плотность грунта или недостаточно влаги.

Причиной направленных смен сообществ в природе может стать не их саморазвитие, а длительное воздействие на них разрушительных факторов, например загрязнение водоемов, вытаптывание лесов, усиленный выпас скота. При этом сообщества проходят как бы обратный путь, от сложных к простым, происходит их постепенная деградация. Например, на степных пастбищах с песчаными почвами дерновинки многолетних злаков - ковыля и типчака - разбиваются копытами скота и затем почти исчезают. Развиваются двухлетние и однолетние сорные растения. Затем их сменяют виды, характерные для сыпучих и слабозаросших песков: вейник, осока песчаная и др., а на последней стадии разрушения сообщества возникают голые пески лишь с отдельными растениями.

Другая причина в нарушении восстановительных возможностей биоценозов - снижение видового разнообразия в окружающей среде. Если неоткуда взяться семенам растений или видам животных, играющим важную роль на соответствующих этапах развития сообществ, экосистема остается на менее устойчивой стадии.

Например, при сплошных рубках еловых лесов на больших территориях они зарастают со временем малоценными мелколиственными породами и надолго задерживаются в этом состоянии, так как неоткуда взяться семенам ели.

Умение управлять процессами саморазвития и самовосстановления экосистем - очень важная задача современной хозяйственной деятельности, когда человек приводит в постоянное движение весь живой покров планеты. Снимая ограничивающие факторы, поставляя соответствующие семена растений и вселяя необходимые виды животных, можно ускорить формирование стабильных сообществ или, наоборот, задержать процессы на нужной нам стадии развития.

В природе существуют как стабильные, так и нестабильные экосистемы. Дубрава, ковыльная степь, ельники темнохвойной тайги - это примеры длительно существующих, устойчивых экосистем . Пустоши, сырые луга, мелкие водоемы, если их предоставить самим себе, быстро изменяются. Они постепенно зарастают другой растительностью, заселяются другими животными и превращаются в экосистемы иного типа. На месте болота вырастает лес, на заброшенных пашнях восстанавливается степь и т. д.

Основная причина неустойчивости экосистем - несбалансированность круговорота веществ.

Если в биоценозах деятельность одних видов не компенсирует деятельность других, то условия среды неминуемо изменяются. Популяции меняют среду в неблагоприятную для себя сторону и вытесняются другими видами, для которых новые условия экологически более выгодны. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не сформируется уравновешенное сообщество , которое способно поддержать баланс веществ в экосистеме.

Таким образом, в природе происходит развитие экосистем от неустойчивого состояния к устойчивому. Этот процесс называют сукцессией . Например, зарастание небольших озер можно проследить на протяжении одного или нескольких поколений людей (рис. 78). Из-за недостатка кислорода в придонных слоях организмы-разлагатели не в состоянии обеспечить полный распад отмирающих растений. Образуются торфянистые отложения, озеро мелеет, зарастает с краев и превращается в болото. Оно сменяется мокрым лугом, луг - кустарниками, а затем лесом.

Сукцессия начинается на любом участке суши, который обнажился в результате каких-либо причин: на осыпях, отмелях, сыпучих песках, голых скалах, отвалах горных пород, созданных человеком, и др. Она проходит ряд закономерных этапов.

- На первом этапе обнажившийся участок заселяется случайно попадающими сюда организмами из окружающих местообитаний: семенами, спорами, летающими и ползающими насекомыми, расселяющимися грызунами, птицами и т. д. Далеко не все из них способны прижиться на этом месте, и многие или погибают, или покидают его.

- На втором этапе прижившиеся виды начинают осваивать и изменять среду обитания, еще не мешая друг другу.

- На третьем этапе , когда участок полностью освоен, обостряются конкурентные отношения. Так как виды изменяют среду в неблагоприятную для себя сторону, часть из них вытесняется и появляются новые. Например, на задернованном участке уже не могут прорастать семена сорняков, которые первыми осваивали эту территорию. Они исчезают. Процесс постепенной смены видового состава может длиться достаточно долго.

- На заключительном этапе устанавливается, наконец, постоянный состав сообщества, когда виды распределены по экологическим нишам, не мешая друг другу, связаны пищевыми цепями и взаимовыгодными отношениями и согласованно осуществляют круговорот веществ. В таком биоценозе сильны регуляторные связи, и он может неопределенно долго поддерживать экосистему, пока внешние силы не выведут его из этого состояния.

Таким образом, саморазвитие экосистем осуществляется через отношения между видами и их воздействие на среду обитания, т. е. через закономерные изменения биоценозов.

Смена биоценозов в сукцессиях всегда идет от наименее устойчивого состояния к наиболее устойчивому. Скорость этих изменений постепенно замедляется. Замедление темпов - одна из главных особенностей сукцессии. Приближаясь к устойчивому состоянию, они могут надолго задерживаться на отдельных стадиях. Мелкий водоем зарастает быстрее, чем впоследствии березовый лес на этом месте заменяется дубовым.

Неустойчивые стадии при смене биоценозов называют незрелыми сообществами, устойчивые - зрелыми .

Направленные изменения биоценозов начинаются и в том случае, если происходят какие-либо частичные нарушения в уже сформировавшейся экосистеме. Они приводят к ее восстановлению, поэтому называются восстановительными сменами или вторичными сукцессиями.

Например, после пожара в еловом лесу ель не может возобновиться сразу, так как ее проростки не выдерживают конкуренции светолюбивых и быстрорастущих трав: кипрея (иван-чая), вейника и др. Травы сменяются зарослями малинника и подростом светолюбивых лиственных деревьев, и лишь под их пологом в тени начинают подрастать молодые елочки. Каждая из этих стадий развития длительнее и устойчивее предыдущей. Процесс восстановления ельника занимает в природе несколько десятилетий.

Для развития биоценозов в ходе сукцессии характерен целый ряд общих закономерностей :

Постепенное увеличение видового разнообразия,

Смена доминирующих видов,

Усложнение цепей питания,

Увеличение в сообществах доли видов с длительными циклами развития,

Усиление взаимовыгодных связей в биоценозах и т. д.

Постепенно нарастают общая биомасса и продукция растений, но также растут и масштабы использования этой продукции в цепях питания. Все это приводит к замедлению темпов изменений и к установлению стабильных экосистем .

В зрелых, устойчивых сообществах все, что наращивают растения, используется гетеротрофами - это главная причина стабилизации экосистем . Если человек изымает продукцию из таких экосистем (например, древесину из зрелых лесов), он неминуемо нарушает их.

На начальных этапах развития биоценозов, пока не сложились цепи питания, в экосистемах создается избыток растительной продукции, и такие биоценозы выгодны человеку.

Деятельность людей постоянно приводит к сменам различных биоценозов - в результате рубок леса, осушения и обводнения земель, выработки торфяников, прокладки дорог и т. д. Частичные или глубокие нарушения экосистем вызывают природные процессы их самовосстановления .

Однако природные возможности не безграничны. Самовосстановление биоценозов часто тормозится различными внешними причинами . Например, ежегодные разливы рек все время нарушают формирование устойчивых биоценозов на их берегах, и здесь сообщества существуют в постоянно незрелом состоянии. Точно так же постоянная вспашка полей предотвращает восстановление естественной растительности на этой территории. Пустыри могут десятилетиями не заселяться растениями или животными, если какой-либо фактор сильно отклоняется от нормы, например, сильно токсичны вывернутые породы, высока плотность грунта или недостаточно влаги.

Другая причина в нарушении восстановительных возможностей биоценозов - снижение видового разнообразия в окружающей среде. Если неоткуда взяться семенам растений или видам животных, играющим важную роль на соответствующих этапах развития сообществ, экосистема остаётся на менее устойчивой стадии.

Например, при сплошных рубках еловых лесов на больших территориях они зарастают со временем малоценными мелколиственными породами и надолго задерживаются в этом состоянии, так как неоткуда взяться семенам ели.

Умение управлять процессами саморазвития и самовосстановления экосистем - очень важная задача современной хозяйственной деятельности, когда человек приводит в постоянное движение весь живой покров планеты. Снимая ограничивающие факторы, поставляя соответствующие семена растений и вселяя необходимые виды животных, можно ускорить формирование стабильных сообществ или, наоборот, задержать процессы на нужной нам стадии развития.

Агроэкосистемы, основные отличия от природных экосистем.

Искусственные биоценозы, созданные людьми, занимающимся сельским хозяйством, называются агроценозами . Они включают те же компоненты среды, что и естественные биогеоценозы, обладают большой продуктивностью, но не обладают способностью к саморегуляции и устойчивости, т.к. зависят от внимания к ним человека.

Агроэкосистема (агробиоценоз)

Искусственный, созданный человеком биоценоз, сообщество живых организмов, служащее для получения сельскохозяйственной продукции и регулярно поддерживаемое человеком.

1. В агроэкосистеме живет меньше видов, чем в естественной экосистеме. Поэтому пищевые цепи в агроэкосистеме короткие, неразветвленные, из-за этого круговорот веществ неустойчивый, следовательно, сама агроэкосистема неустойчива . Если человек не будет за ней ухаживать (поливать, удобрять, пропалывать), то она разрушится, например, поле пшеницы зарастет, превратится в луг. Таким образом, естественная экосистема получает энергию только от солнечного света, а агроэкосистема – от Солнца и от человека (основной источник энергии для агроэкосистемы – всё-таки Солнце).

2. В агроэкосистеме живет очень много растений одного вида (монокультура), следовательно, создаются хорошие условия для консументов, питающихся этим видом (вирусов, бактерий, нематод, клещей, насекомых и т.п.). Поэтому в сельском хозяйстве обязательно надо бороться с вредителями. Основные способы:

• ядохимикаты (плюс – дёшево, минус – уничтожаются естественные враги вредителей, так что их численность может, наоборот, возрасти);
• биологические методы (использование естественных врагов – наездников против бабочек, божьих коровок против тли и т.п.);
• севооборот (каждый год на поле выращивается другая культура, чтобы вредители не накапливались в почве)

3. В естественной экосистеме растения своими корнями забирают из почвы минеральные соли, затем растения поедаются консументами, разрушаются редуцентами, и соли возвращаются назад в почву – это замкнутый круговорот веществ. На поле пшеницы урожай собирается и вывозится, и минеральные соли в почву не возвращаются (незамкнутый круговорот веществ ). Поэтому в сельском хозяйстве применяют удобрения – минеральные (соли) и органические (навоз).

В агроценозе (например, ржаного поля) складываются те же пищевые цепи , что и в природной экосистеме: продуценты (рожь и сорняки), консументы (насекомые, птицы, полевки, лисы) и редуценты (бактерии, грибы). Обязательным звеном этой пищевой цепи является человек.

Агроценозы, помимо солнечной энергии, получают дополнительную энергию , которую затратил человек на производство удобрений, химических средств против сорняков, вредителей и болезней, на орошение или осушение земель и т.д. Без такой дополнительной затраты энергии длительное существование агроценозов практически невозможно.

В агроценозах действует преимущественно искусственный отбор , направленный человеком, прежде всего, на максимальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур.

В агроэкосистемах резко снижено видовое разнообразие живых организмов. На полях обычно культивируют один или несколько видов (сортов) растений, что приводит к значительному обеднению видового состава животных, грибов, бактерий.

Таким образом, по сравнению с естественными биогеоценозами агроценозы :

Имеют ограниченный видовой состав растений и животных,

Не способны к самообновлению и саморегулированию,

Подвержены угрозе гибели в результате массового размножения вредителей или возбудителей болезней

Требуют неустанной деятельности человека по их поддержанию.

Тематические задания

А1. Быстрее всего к сукцессии биогеоценоза может привести

1) распространение в нем инфекций

2) повышенное количество осадков

3) распространение инфекционных заболеваний

4) хозяйственная деятельность человека

А2. Обычно первыми поселяются на скалах

2) лишайники

4) кустарнички

А3. Планктон – это сообщество организмов:

1) сидячих

2) парящих в толще воды

3) малоподвижных донных

4) быстроплавающих

А4. Найдите неверное утверждение.

Условие длительного существования экосистемы:

1) способность организмов к размножению

2) приток энергии извне

3) наличие более чем одного вида

4) постоянная регуляция численности видов человеком

А5. Свойство экосистемы сохраняться при внешних воздействиях, называют:

1) самовоспроизводством

2) саморегуляцией

3) устойчивостью

4) целостностью

А6. Стабильность экосистемы повышается, если в ней:

2) уменьшается число видов редуцентов

3) увеличивается число видов растений, животных, грибов и бактерий

4) исчезают все растения

А7. Наиболее устойчивая экосистема:

1) поле пшеницы

2) фруктовый сад

4) культурное пастбище

А8. Основная причина неустойчивости экосистем:

1) несбалансированность круговорота веществ

2) саморазвитие экосистем

3) постоянный состав сообщества

4) колебания численности популяций

А9. Укажите неверное утверждение. Изменение видового состава деревьев в лесной экосистеме определяется:

1) изменениями среды, вызываемыми членами сообщества

2) сменой климатических условий

3) эволюцией членов сообществ

4) сезонными изменениями в природе

А10. В ходе длительного развития и смены экосистемы число видов живых организмов, входящих в нее,

1) постепенно уменьшается

2) постепенно растет

3) остается неизменным

4) бывает по-разному

А11. Найдите неверное утверждение. В зрелой экосистеме

1) популяции видов хорошо воспроизводятся и не замещаются другими видами

2) видовой состав сообщества продолжает изменяться

3) сообщество хорошо приспособлено к окружающим условиям

4) сообщество обладает способностью к саморегуляции

А12. Целенаправленно созданное человеком сообщество называют:

1) биоценозом

2) биогеоценозом

3) агроценозом

4) биосферой

А13. Укажите неверное утверждение. Оставленный человеком агроценоз гибнет, т.к.

1) усиливается конкуренция между культурными растениями

2) культурные растения вытесняются сорняками

3) он не может существовать без удобрений и ухода

4) он не выдерживает конкуренции с природными биоценозами

А14. Найдите неверное утверждение. Признаки, характеризующие агроценозы

1) большее разнообразие видов, более сложная сеть взаимосвязей

2) получение дополнительной энергии наряду с солнечной

3) неспособность к длительному самостоятельному существованию

4) ослабление процессов саморегуляции

В1. Выберите признаки агроценоза

1) не поддерживают свое существование

2) состоят из малого числа видов

3) повышают плодородие почвы

4) получают дополнительную энергию

5) саморегулируемые системы

6) отсутствует естественный отбор

В2. Найдите правильную последовательность событий при заселении растительностью скальных пород:

1) кустарники

2) накипные лишайники

3) мхи и кустистые лишайники

4) травянистые растения

(«био-») и неживых («гео-») компонентов на определенном участке земной поверхности. Учение о биогеоценозе и сам термин создал крупный российский ученый-ботаник В.Н. Сукачев.

Экосистем на Земле очень много. Существенным свойством каждой из них является круговорот веществ и потоки энергии. Из-за большой роли живых организмов круговорот веществ в экосистемах часто называют биологическим круго-

воротом веществ.

Биологический круговорот веществ является главным условием существования экосистемы.

Круговорот веществ в биогеоценозе осуществляется благодаря наличию в нем четырех неотъемлемых компонентов (рис. 82): 1) абиотического компонента (запаса биогенных веществ и солнечной энергии); 2) продуцентов (создающих органическое вещество); 3) консументов (потребляющих органическое вещество); 4) редуцентов (разлагающих мертвое органическое вещество).

Организмы, разлагающие мертвые остатки растений, животных и других представителей живого мира до минеральных соединений (углекислого газа, воды и минеральных солей). В роли редуцентов выступают по преимуществу бактерии, а также грибы и некоторые животные (простейшие). Совместная деятельность этих разных по экологическим функциям групп организмов и является двигателем биологического круговорота веществ в биогеоценозе.

Биогеоценозы (экосистемы) устойчивы лишь в том случае, когда все четыре компонента, входящие в их состав, поддерживают круговорот веществ достаточно полно.

Круговорот веществ поддерживается в биогеоценозах (экосистемах) постоянным притоком все новых и новых порций энергии. Хотя по закону сохранения энергии она не исчезает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую, круговорота энергии в экосистемах быть не может. Расходуясь на жизнедеятельность организмов, усвоенная ими энергия постепенно переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, деятельность экосистемы напоминает круговое вращение мельничного колеса (круговорот веществ) в потоке быстротекущей воды (поток энергии).

Одна и та же порция вещества и заключенная в нем энергия не могут бесконечно передаваться по сложной сети питания, связывающей организмы в биогеоценозе. На самом деле трофическая сеть состоит из переплетения коротких пищевых (трофических) цепей - последовательного ряда питающихся друг другом организмов, в котором можно проследить расходование первоначальной порции энергии. Каждое звено ряда называют трофическим уровнем.

Возьмем для примера короткую пищевую цепь: капуста (первый трофический уровень) - коза (второй трофический уровень) - волк (третий уровень). Капуста с экологической точки зрения - продуцент, коза - консумент первого порядка как растительноядное животное, а хищный волк - консумент второго порядка. Проследим, как расходуется в этой цепи солнечная энергия, связанная в кочане капусты, зная, что от усвоенной животным пищи лишь небольшая доля идет на рост организма, т. е.

откладывается в его теле. Остальная тратится на поддержание обмена веществ, на обеспечение размножения и часть удаляется из организма как неусвоенная.

Подсчитано, что в среднем на рост идет около 10 % усвоенной энергии. Следовательно, в теле козы задержится даже менее десятой части энергии, заключенной в кочане капусты, так как часть вещества капусты не усваивается. Когда же козу съест волк, то на прирост его тела достанется не более одного процента энергии, которая была в кочане капусты.

В каждом последующем звене цепей питания количество задерживаемой энергии уменьшается примерно в 10 раз, и уже через 4-5 звеньев она практически полностью иссякает. Это так называемое экологическое «правило десяти процентов» имеет огромное практическое значение. Оно позволяет понять, как расходуется в экосистеме продукция - органическое вещество, создаваемое растениями за определенное время. На создание 1 кг массы растительноядных животных затрачивается в 10 раз больше солнечной энергии, чем на 1 кг массы растений.

Продукция плотоядных поэтому обходится в 100 раз дороже.

Передача органического вещества и энергии по цепям питания подчиняется «правилу десяти процентов».

«Правило десяти процентов» можно выразить графически в виде так называемых экологических пирамид. В них отображают: число особей, включенных в пищевую цепь (пирамида численности), биомассу (суммарную массу организмов) экосистемы (пирамида биомассы), вовлеченную в оборот энергию (пирамида энергии). Нижняя ступень соответствует первому, трофическому уровню, а каждая последующая ступень оказывается в 10 раз меньше предыдущей (рис. 83).

Человеческое общество живет за счет первичной и вторичной продукции растений и животных. Продукция животных обходится и природе, и людям дороже, чем растительная. Поэтому проблема голода для населения разных стран начинается прежде всего с нехватки вторичной продукции - животных белков, необходимых в рационе человека.

Даже в самых устойчивых биогеоценозах (экосистемах) Земли круговорот веществ не замкнут. Часть вещества переносится ветрами и течениями, сносится в

понижения рельефа, мигрирует вместе с поверхностным стоком и подземными водами. В результате все экосистемы суши и океана оказываются связанными в единую глобальную экосистему - биосферу. Из множества связанных друг с другом круговоротов складывается установившийся за многие миллионы лет глобальный биологический круговорот веществ биосферы, поддерживающий устойчивость жизни на планете.

Учение о биосфере создано В.И. Вернадским. Он характеризует биосферу не только как область распространения жизни на Земле, но и как часть планеты, целиком преобразованную жизнью. По Вернадскому, круговороты важнейших биогенных элементов в биосфере создаются организмами. Благодаря им химические вещества оболочек Земли попеременно переходят из неживой природы в живое вещество, а из живого вещества вновь в неживую природу.

Поэтому биосферу называют также глобальной экосистемой. Биологический круговорот зародился с момента появления первых организмов (коацерватов, или протобионтов) и продолжается уже в течение миллиардов лет. Так поддерживается жизнь и существование биосферы (рис. 84).

Биосфера как глобальная экосистема - закономерный продукт эволюции планеты Земля. Вместе с тем биосфера является главнейшей ареной жизни и хозяйственной деятельности человека. В своем глобальном проявлении биосфера выступает как гигантская экосистема, которая аккумулирует с помощью растений энергию Солнца и трансформирует ее в живые системы, обеспечивая непрерывность и многообразие жизни на нашей планете.

1. Как соотносятся между собой понятия «биоценоз», «экосистема» и «биогеоценоз»?

2. Что является главным условием, поддерживающим существование

экосистем?

3*. Подумайте.

Может ли один и тот же вид входить в разные цепи питания?

Почему человек разводит в основном растительноядных животных?

Почему в пищевой сети нет конца и начала, а в пищевых цепях - есть?

§ 58 Развитие и смена биогеоценозов

Биогеоценозы со сбалансированным круговоротом веществ могут существовать бесконечно долго, пока внешние силы не выведут их из равновесия. И действительно, темнохвойная тайга, ковыльные степи, широколиственные дубравы занимали свои места тысячелетиями после последнего оледенения, и лишь деятельность человека за последнее столетие сильно изменила эти ландшафты.

Вместе с тем в природе существует множество нестабильных биогеоценозов, направленно изменяющихся даже без какого-либо вмешательства извне. Мелеют и зарастают неглубокие озера, на месте мокрого луга вскоре появляются заросли кустарников, лишайники на скалах постепенно заменяются мхами, а затем и травами, и под ними формируется тонкий слой почвы. Все это примеры нестабильных экосистем, сообщества которых быстро меняют состав видов.

Развитие биогеоценоза происходит не так, как развитие организма. Рост и усложнение организма определяются его наследственностью, т. е. заложенными в зиготе генами. Биогеоценозы возникают по другому принципу. Они формируются на основе случайного (самопроизвольного) подбора видов, имеющихся в окружающей среде и способных существовать в данных условиях. Возникающий таким путем состав видов не существует долго, а изменяется. Процесс изменений идет до тех пор, пока не установится сообщество, способное поддерживать сбалансированный круговорот. Такой процесс саморазвития экосистемы называют экологической сукцессией (лат. successio - «преемственность») (рис. 85).

Сукцессии могут быть первичными и вторичными, т. е. восстановительными.

Первичные сукцессии начинаются с заселения обнажившихся участков территории - осыпей, отмелей, голых скал, сыпучих песков или отвалов, созданных человеком. Эти безжизненные участки сначала занимают виды, которые способны быстро расселяться.

Заносятся ветром и водой их семена, споры, прилетают насекомые, забегают мелкие грызуны, и некоторые из них приживаются на данном участке. Сообщества, которые образуются из таких случайных видов, называют пионерными. Они, как правило, малоустойчивы, а их виды, успев частично изменить среду, вскоре вытесняются новыми вселенцами.

На пионерной стадии сообщество не сбалансировано. В нем еще не сформировались

сложные цепи питания, не заняты все экологические ниши, растительная продукция не полностью используется консументами, редуцентами и накапливается в экосистеме. Новые виды, поселившиеся здесь, тоже изменяют среду, делая ее непригодной для себя, и потому вскоре вытесняются конкурентами. В результате происходит очередная замена одного биогеоценоза качественно другим, т. е. происходит смена биогеоценозов. Возникающие на этом этапе пионерные системы называют также незрелыми.

Смена биогеоценозов - это замена одного биогеоценоза другим, качественно отличающимся от предыдущего.

Круговорот веществ в зрелых биогеоценозах сбалансирован.

Вторичные, или восстановительные, сукцессии начинаются после частичного нарушения экосистем. Такие нарушения происходят, например, после лесного пожара, рубки леса, вспашки целины. В этих случаях уничтожаются не все элементы экосистемы, остается сформированная живыми организмами почва, сохраняются семена, корневища, споры, выживают некоторые виды животных. Восстановительные сукцессии протекают несколько иначе, чем первичные, но тоже приводят к формированию стабильных, зрелых биогеоценозов.

Время первичных сукцессий исчисляется в природе сотнями лет, вторичные происходят несколько быстрее. Например, ельники в европейской части России после рубок восстанавливаются за 60-80 лет, проходя стадии временных сообществ

Кустарниковых зарослей и мелколиственных лесов.

Наряду с крупномасштабными и долгосрочными сукцессиями в природе протекает множество мелкомасштабных и краткосрочных. Зарастают, тоже проходя ряд этапов, земляные выбросы кротов, завалы деревьев в лесу, сусликовины в степях, днища высохших луж, прудов и т. п. Наряду с растительностью на этих участках меняется и животное, и микробное население сообщества. Такие мелкие сукцессии постоянно происходят в крупных стабильных биогеоценозах, восстанавливая в них локальные нарушения и поддерживая целостность и стабильность экосистем.

Экологические сукцессии являются механизмами и развития, и самоподдержания, и восстановления природных экосистем.

Понимание законов экологических сукцессий важно для многих сторон деятельности человека. Следует знать, что биогеоценоз не может одновременно быть высокоустойчивым и накапливать при этом избыток первичной продукции. Создавая искусственные экосистемы (поля, сады и огороды), надо понимать, что они крайне

неустойчивы и требуют постоянной поддержки человека: вспашки, удобрений, посевов, полива и т. п. Эта неустойчивость проявляется и во вспышках численности вредителей, и в атаках сорняков, и в эрозии почв, и в исчерпании запасов минеральных соединений. Если на следующий год не засеять поле вновь, оно стремительно преобразуется сукцессией в пустошь, а затем в луг или кустарниковые заросли.

Управление сукцессиями - один из основных путей экологически грамотного сотрудничества с природой. Чтобы не подрывать ее стабильность и получать первичную продукцию, люди должны так организовывать ландшафты, чтобы они включали и зрелые, и незрелые экосистемы. Старый лозунг «Превратим всю Землю в цветущий сад!» не выдержал экологической проверки. Сад - пионерная и нестабильная экосистема, и у человечества не хватит сил бороться против природы. Сады, поля должны чередоваться в ландшафте с лесами, перелесками, задернованными участками, водоемами и другими типами природных биогеоценозов, обеспечивая все то разнообразие, на котором строится устойчивость природной среды в биосфере.

1. Как проявляются сукцессии в природе?

2*. По каким причинам происходит саморазвитие сообществ?

3*. Подумайте.

Обеднеет или обогатится природа, если предположить, что все неустойчивые сообщества будут заменены устойчивыми?

Чем выгодны для человека незрелые сообщества?

§ 59 Основные законы устойчивости живой природы

Людям необходимо понимать, на чем основана устойчивость популяций, сообществ и экосистем, чтобы соразмерять свою деятельность с законами природы. Назовем некоторые наиболее важные для сохранения устойчивости экологические закономерности: цикличность, отрицательная обратная связь, биологическое разнообразие видов.

Цикличность (греч. kyklos- «кругооборот»), т. е. многократное использование биогенных веществ, лежит в основе биологического круговорота, от которого зависит устойчивость экосистемы (биогеоценоза) (рис. 86).

Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают в биосфере постоянные и многократные миграции между телами организмов и физической средой. Плоть живущих сейчас людей включает атомы, побывавшие в составе тел древних стегоцефалов, динозавров, первоптиц и мамонтов.

Циклическое использование ограниченных по запасам веществ делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана вечность жизни. Иначе она давно

угасла бы на Земле, израсходовав все доступные ресурсы.

Отрицательная обратная связь заключается в том, что отклонения от нормального состояния системы вызывают в ней такие изменения, которые начинают противодействовать этим отклонениям. В итоге происходит регуляция, т. е. возврат системы в прежнюю норму.

На отрицательной обратной связи основано самоподдержание всех сложных биосистем.

У некоторых видов вспышки массового размножения происходят даже в природных сообществах. Обычно плотность их популяций сдерживается многочисленными

потребителями, но после суровых зим или засушливого лета часть врагов погибает, что и приводит к вспышке численности особей вида. Например, у бабочек сибирского шелкопряда в таежных лесах не менее 60 видов потребителей. Особенно активно сдерживают их численность некоторые мелкие

В биологическом разнообразии видов кроется наиболее мощный механизм устойчивости экосистемы (биогеоценоза). Живая природа подчинена принципу разнообразия, поскольку на Земле нет двух совершенно одинаковых не только видов или сообществ, но и особей. На основе изменчивости особей действует естественный отбор, а на основе разнообразия видов складываются сообщества и экосистемы.

Разнообразие видов позволило жизни освоить все «уголки» биосферы, существовать на всех географических широтах, во всех типах климата, в глубинах океанов и толщах грунтов.

Биологический круговорот веществ требует участия видов с прямо противоположными функциями. Очевидно, что и на заре возникновения жизни существовало разнообразие первичных организмов, иначе биологический круговорот не смог бы возникнуть.

Разнообразие видов позволяет им формировать сообщества, занимать все экологические ниши и тем самым наиболее полно использовать ресурсы среды. В биогеоценозах, как мы видели, создается своего рода «разделение труда» между видами, их взаимная дополняемость, и это стабилизирует биогеоценоз.

Кроме взаимной дополняемости биологическое разнообразие обеспечивает взаимную заменяемость видов в экосистемах. Отдельные виды могут быть заменены их конкурентами без ущерба для общего состояния экосистемы. Выпадение из сообщества каких-либо видов тоже может пройти почти бесследно, если это не касается основных средообразователей. Так как экологические ниши близких по требованиям видов могут частично перекрываться, исчезновение одного из них оказывается неопасным для биогеоценоза. Его функции могут принять на себя сразу несколько видов по правилу конкурентного высвобождения. Но это возможно, если в экосистеме представлено большое разнообразие видов.

Наиболее важные процессы в экосистемах имеют множественное обеспечение, т. е. к сходному результату может привести деятельность разных видов.

Например, в такой важной функции, как разложение мертвого органического вещества, одновременно участвуют многие группы организмов с большим видовым разнообразием: бактерии, грибы, простейшие, круглые и кольчатые черви, членистоногие. Дождевые черви в большинстве типов почв играют важнейшую роль в этих процессах. Но в Канаде на большей части ее территории дождевые черви отсутствуют, и тем не менее там формируются экосистемы, по внешнему облику и характеру круговоротов похожие на европейские.

Биологическое разнообразие видов - необходимое условие и для протекания первичных и восстановительных сукцессий. Одна из причин торможения сукцессионного процесса на обширных нарушенных человеком пространствах - низкое разнообразие видов на прилегающих территориях, отсутствие семян нужных видов растений и сопровождающих их животных - опылителей, разлагателей и т. п. Без видового разнообразия не происходит смены сообществ в направлении к устойчивым экосистемам (биогеоценозам).

Устойчивость природы, таким образом, основана на вполне определенных законах сложения и динамики природных систем, не считаться с которыми люди не имеют права, так как это оборачивается против их собственного благополучия.

1. Назовите главные законы устойчивости экосистем.

2. Объясните, в чем заключается ценность биологического разнообразия видов

в биогеоценозе.

3*. Подумайте.

Почему химические элементы многократно участвуют в биологическом круговороте, а с энергией этого не происходит?

Использует ли человек в промышленности принцип цикличности, распространенный в природе?

Каким образом отрицательная обратная связь поддерживает устойчивость экосистемы?

§ 60 Рациональное использование природы и ее охрана

На протяжении многих веков человечество относилось к природе как к практически неиссякаемому источнику достижения благополучия. Вспахать больше земли, срубить больше деревьев, добыть больше угля и руды, построить больше дорог и заводов считалось основным направлением прогрессивного развития и достижения процветания.

Уже в древние времена с началом земледелия и скотоводства деятельность человека приводила к изменению крупных экосистем и опустошению больших территорий.

Так, были сведены леса в Древней Греции и Малой Азии, сильно расширены территории пустынь из-за перевыпаса скота, резко упала численность промысловых копытных животных. Экологические катастрофы, вызванные нарушением природных связей, многократно возникали в разных районах Земли. Пыльные бури, вызванные распашкой больших площадей, поднимали вверх и уносили плодородные слои почвы в США, на Украине, в Казахстане. Из-за сведения лесов мелели судоходные реки. В районах сухого климата неумеренный полив вызывал засоление почв. В степных краях расползались овраги, отнимая у людей плодородные земли. Загрязненные озера и реки превращались в сточные водоемы.

К середине XX столетия стало уже очевидным, что нарушения среды, вызванные антропогенным воздействием, имеют не только местное, но планетарное значение. Остро встал вопрос о пределах экологической емкости планеты для существования человечества.

Рост народонаселения и техногенный характер использования природы привели к угрозе экологических нарушений, затрагивающих не только отдельные государства и страны, но и биосферу в целом. Изменяются планетарные циклы круговорота веществ. В результате перед человечеством возник целый ряд глобальных экологических проблем, обусловленных антропогенным воздействием на окружающую среду. Назовем некоторые из них.

Истощение природных ресурсов. Ресурсы, за счет которых живет человечество, делятся на две категории: возобновимые (почва, растительность, животный мир) и невозобновимые (запасы руд и горючих ископаемых). Возобновимые ресурсы способны к восстановлению, но, естественно, если их потребление не превысит критических пределов. Интенсивное потребление привело к заметному уменьшению ресурсов.

Из возобновимых ресурсов сильно пострадали почвы, леса, промысловые животные. Площадь, покрытая лесами, стремительно сокращается на планете, в настоящее время ежегодно на 2%. Людьми сведено уже 2/3 природных лесов. На наших глазах идет уничтожение уникальных тропических влажных лесов в Южной Америке и Африке. Они могут полностью исчезнуть за 2-3 десятилетия вместе с их богатейшим животным миром. Сибирская тайга при существующем режиме эксплуатации также может быть подорвана за ближайшие 40-50 лет. Резко упали рыбные запасы в реках и океанах. Сократились популяции трески, лососей, осетровых рыб, многих сельдей, китов. Огромные масштабы приобрели потери почв за счет засоления и эрозии - разрушения и выноса плодородного слоя водой и ветром. И то и другое возникает в результате неправильной агротехники. Ежегодно теряются десятки миллионов гектаров ценнейших природных земель.

Загрязнение среды. В результате промышленного производства в атмосферу, воды и почвы в качестве отходов поступает огромное количество вредных веществ, накопление которых угрожает жизни большинства видов, в том числе и человека.

Мощный источник загрязнений - современное сельское хозяйство, насыщающее почвы избыточным количеством удобрений и ядов для борьбы с вредителями.

Снижение биологического разнообразия. По вине человека в настоящее время катастрофически уменьшается видовое разнообразие животных и растений. Часть видов исчезла в результате прямого истребления (странствующий голубь, дикий тур, морская стеллерова корова и др.). Значительно опаснее оказались резкие изменения природной среды, разрушение местообитаний. Из-за этого гибель грозит 2/3 существующих видов. Сейчас темпы антропогенного обеднения природы таковы, что несколько видов животных и растений исчезают ежедневно. В истории Земли процессы вымирания видов уравновешивались процессами видообразования.

В настоящее время темпы эволюции оказались несопоставимыми с разрушительным влиянием человека на видовое разнообразие планеты.

Изменения, вызываемые деятельностью человека в биосфере, грозят прежде всего самому человечеству. Живая природа в целом представляет настолько мощную силу, что восстанавливается после самых серьезных катаклизмов на Земле. Но при этом меняются ее формы, меняется состояние экосистем. Виды, которые не могут к этому приспособиться, вымирают. Человечество также приспособлено к определенному состоянию биосферы - составу воздуха, вод, почв, растительности, климатическому режиму, обеспеченности ресурсами. Изменение качества среды приведет человечество к гибели.

Человек, в отличие от других видов, обладает разумом и способен к сознательной перестройке своей деятельности.

В наше время глобальные экологические угрозы начали осознаваться обществом. Экологически грамотное, рациональное природопользование - единственно возможный путь выживания человечества. Обеспечить выживание невозможно без развития экологической науки. Она позволяет понять, какими путями нужно строить взаимоотношения с природой в разных областях человеческой деятельности.