Общая_биология._Раздел_1_5_-_экология.pdf

Transcript

1. РАЗДЕЛ 1. ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ ТЕМА 5: ЭКОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЯ: РОЛЬ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ. БИОГЕОЦЕНОЗЫ. ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ. БИОТИЧЕСКИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ОРГАНИЗМАМИ В БИОГЕОЦЕНОЗАХ. БИОСФЕРА. УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ. 1
2. ЭКОЛОГИЯ • Наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы • Это наука о взаимоотношениях живых организмов друг с другом и с окружающей средой (Геккель, 1869) 2
3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ: АБИОТИЧЕСКИЕ, БИОТИЧЕСКИЕ, АНТРОПОГЕННЫЕ • Фактор – любое условие среды, на которое живые существа реагируют [адаптивно] 3
4. АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ • Ультрафиолет: • Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм) – выработка вит. D • УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм) – ожоги, мутации, бактерицидное действие • Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм) – бактерицидны, задерживаются озоновым экраном 4
5. ЗНАЧЕНИЕ ФАКТОРОВ ДЛЯ СРЕДЫ: НАЗЕМНО- ВОЗДУШНАЯ Фактор Характеристика Воздействие на организм Свет Ультрафиолет (10-400 нм) Бактерицидны (особенно короткие волны – 180-280 нм)/Вызывают ожоги/стимулируют выработку витамина D Видимый свет (410-740 нм) Необходим для фотосинтеза/зрения Инфракрасные (более 750 нм-2 мм) Перенос тепловой энергии Воздух O2 =21% Окисление органических веществ, получение энергии N2 =78% Фиксация азотфиксирующими бактериями CO2 =0,03% Фотосинтез/Парниковый эффект Температура • Выше или • ниже 0оС Температура тела/Скорость ферментативных реакций При низких температурах - анабиоз Влажность • Высокая – более 70% • Нормальная – 40-70% • Низкая – менее 40% Роль воды – 1) растворитель, 2) среда для химических реакций, 3) источник кислорода при фотосинтезе, 4) тургор, 5) осмотическое давление *Жёсткий ультрафиолет задерживается озоновым экраном в верхних слоях атмосферы 5
6. ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ К НАЗЕМНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ • Растения: • Свет: Светолюбивые/теневыносливые – различаются по высоте (соотв., развитию механической ткани), толщине покровных тканей • Вода: Устьица и чечевички – испарение. В зависимости от местности – влаголюбивые/засухоустойчивые растения с соответствующими приспособлениями - гигрофиты, гидрофиты, мезофиты, ксерофиты • Температура: Сезонный листопад и общий анабиоз при отрицательных температурах у покрытосеменных • Животные: • Свет: Ночные/дневные – различаются по размеру глаз, чувствительности органа зрения к свету, наличию цветового зрения (ночью оно не нужно) • Защита от кислорода – супероксиддисмутаза, пероксидаза, либо - анаэробная жизнь • Температура: Защита от холода – шерсть, перья, жировая прослойка. Животные пустынь – плотные покровы, отсутствие потовых желёз, сверхконцентрированная моча, получение воды из питательных веществ 6
7. ЗНАЧЕНИЕ ФАКТОРОВ ДЛЯ СРЕДЫ: ВОДНАЯ Характеристика Воздействие на организм Приспособления • Высокая плотность • Малое содержание кислорода • Резкий рост давления (каждые 10 м = 1 атм) • Постоянная температура 10- 15оС • Свет проникает на глубину 150-250 м • Солёность • Вода поддерживает • Жабры • Жизнь концентрируется в верхних слоях • Зелёные фотосинтетики живут не глубже 40 м, красные и бурые – до 200 м (268) • Механические ткани не нужны • Покровные ткани нужны только для защиты от повреждений, но не от высыхания – слизистые покровы • Воздухоносные полости • Обтекаемая форма тела 7
8. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ГРУППЫ ОБИТАТЕЛЕЙ ВОДОЁМОВ 8
9. ЗНАЧЕНИЕ ФАКТОРОВ ДЛЯ СРЕДЫ: ПОЧВА Характеристика Воздействие на организм Приспособления • Температура относительно постоянная • Запасы органических веществ • На глубине 2-30 см углекислого газа в 10-100 раз больше • Кислорода 1-20% • Влажность, как правило, выше влажности воздуха • У почвенных организмов нет яркой сезонности • Есть особенности питания, дыхания и общего образа жизни • Зрение редуцировано • Кожное дыхание • Роющие конечности (аналоги), развитая мускулатура • У растений – специализированный геотропный орган – корень • Прочные покровы • Характерная форма тела (вальковатая) • Небольшие размеры 9
10. ЗНАЧЕНИЕ ФАКТОРОВ ДЛЯ СРЕДЫ: ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ Характеристика Варианты сожительства Приспособления • Относительный гомеостаз поддерживается хозяином • Факторы защиты хозяина от паразита • Факторы, способствующие совместному проживанию с полезным организмом (мутуалом или комменсалом) • Паразитизм • Комменсализм • Мутуализм • Нахлебничество • Паразиты: имеют органы прикрепления, защитные механизмы, хорошо развитую половую систему, сложные жизненные циклы. Нервная, дыхательная, пищеварительная системы, органы чувств редуцированы • Комменсалы могут существовать как с хозяином, так и без него 10
11. БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ • Формы влияния на организм со стороны других живых организмов (влияние животных на растения и наоборот, паразитарные отношения, взаимовлияние микроорганизмов и высших организмов друг на друга и т.д.) 11
12. ФОРМЫ БИОТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ • *Паразитизм иногда относят к симбиозу, иногда – к антибиозу 12
13. ФОРМЫ БИОТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ (АЛЬТЕРНАТИВНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ) Вид 1 Вид 2 Тип отношений между видами - - Конкуренция + - Хищничество и паразитизм + + Мутуализм - 0 Аменсализм + 0 Комменсализм 0 0 Нейтрализм 13
14. СИМБИОЗ • Симбиоз — все формы сосуществования различных видов, ИЛИ форма тесных взаимоотношений между организмами разных видов, при которой хотя бы один из них получает для себя пользу. • Мутуализм — форма обязательного сосуществования организмов, при которой каждый из организмов, живущих вместе, приносит другому определенную пользу (+/+). • (Прото)кооперация - совместное существование, выгодное для обоих видов, но не обязательное для них. • Комменсализм — форма взаимоотношений между двумя видами животных, при котором один из них (комменсал) пользуется какими-то преимуществами за счет другого (хозяина), не нанося ему вреда (+/0). Выделяют сотрапезничество, нахлебничество, квартиранство • Паразитизм — форма сожительства организмов разных видов, из которых один (паразит) живет за счет другого (хозяина) (+/-). 14
15. МУТУАЛИЗМ И ПРОТОКООПЕРАЦИЯ +/+ • Мутуализм -широко распространённая форма взаимополезного сожительства, когда присутствие партнёра становится обязательным условием существования каждого из них; один из типов симбиоза — сосуществования различных биологических видов. • Протокооперация - это выгодные для обоих организмов отношения, при которых совместное проживание не является обязательным. В этих случаях отсутствует тесная связь конкретной пары партнёров. 15
16. КОММЕНСАЛИЗМ +/0 • Сотрапезничество - форма комменсализма, при которой несколько видов потребляют разные вещества или части одного и того же ресурса • Нахлебничество - форма комменсализма, при которой один вид потребляет остатки пищи другого • Квартиранство - один организм (комменсал) использует другого (его самого либо его жилище) в качестве жилища 16
17. ПАРАЗИТИЗМ +/- • тип взаимоотношений организмов, при котором один или более видов (паразиты) используют другой (хозяина) в качестве источника питания и среды обитания, при этом возлагая на него полностью или частично регуляцию своих отношений с внешней средой, и оказывают на него вредоносное влияние 17
18. АНТИБИОЗ: ХИЩНИЧЕСТВО +/- • форма трофических взаимоотношений между организмами разных видов, при которых один из них (хищник) атакует другого (жертву) и питается его плотью, то есть обычно присутствует акт умерщвления жертвы. Иногда в широком смысле под этим термином понимают всякое выедание одних организмов другими (полное или частичное без умерщвления) 18
19. АНТИБИОЗ: КОНКУРЕНЦИЯ – ВНУТРИВИДОВАЯ И МЕЖВИДОВАЯ -/- • Конкуренция — форма антибиоза, при которой два вида организмов являются биологическими врагами по своей сути (как правило, из-за общей кормовой базы или ограниченных возможностей для размножения). Например, между хищниками одного вида и одной популяции или разных видов, питающихся одной пищей и обитающих на одной территории. В этом случае вред, причиняемый одному организму, приносит пользу другому, и наоборот. • Внутривидовая конкуренция - Это конкуренция между представителями одной или нескольких популяций вида. Идёт за ресурсы, внутригрупповое доминирование, самок/самцов и т. д • Межвидовая конкуренция – Это конкуренция между популяциями разных видов несмежных трофических уровней в биоценозе 19
20. НЕЙТРАЛИЗМ 0/0 • Нейтрализм - обе популяции не оказывают никакого воздействия друг на друга. 20
21. АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР Человек меняет облик планеты не в лучшую сторону; - вмешивается в биоценозы, иногда неосознанно и всегда необдуманно, нарушает баланс и разрушает естественную среду обитания организмов, что приводит к массовому вымиранию видов 21
22. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ • Природная среда – совокупность условий, в которых обитают организм, популяция, сообщество, и которые влияют на их состояние и свойства. Каждая среда характеризуется определённым набором факторов, благоприятных или неблагоприятных для организмов • Экологический фактор – отдельное условие среды, на которое живые существа реагируют (адаптивно) • Адаптация - приспособление организмов к определённым условиям среды обитания • Экосистема (биогеоценоз)- это сообщество организмов с окружающей их физической средой (однородным участком земной поверхности), взаимодействующих друг с другом и образующих экологическую единицу • Сообщество – любая группа организмов разных видов, сосуществующих в одном местообитании или на одной площади, взаимодействующих друг с другом пространственно и трофически 22
23. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ • Биоценоз – комплекс живых компонентов экосистемы, биотоп – комплекс её неживых компонентов • Вид — совокупность особей, сходных между собой по строению, функциям, месту в биогеоценозе (экологическая ниша), заселяющих определенную часть биосферы (ареал), свободно скрещивающихся между собой в природе, дающих плодовитых потомков и не гибридизирующиеся с другими видами. В природе существует в форме популяций. • Популяция – группа организмов одного вида, длительно обитающих на определённой территории, свободно скрещивающихся, в той или иной степени территориально изолированная от других популяций этого вида. • Экологическая ниша – место, занимаемое видом в биоценозе, включающее комплекс его биоценотических связей и требований к факторам среды. • Цепь питания - это ряд взаимосвязанных видов, каждый из которых служит пищей предыдущему. Комплексы взаимосвязанных трофических цепей в реальных биогеоценозах образуют пищевые сети. 23
24. БИОГЕОЦЕНОЗЫ (ЭКОСИСТЕМЫ) • это сообщество организмов с окружающей их физической средой (однородным участком земной поверхности), взаимодействующих друг с другом и образующих экологическую единицу 24
25. КОМПОНЕНТЫ БИОГЕОЦЕНОЗА - ПРОДУЦЕНТЫ, КОНСУМЕНТЫ, РЕДУЦЕНТЫ • Продуценты (зеленые растения, фотосинтезирующие бактерии, хемосинтетики) — производители органических веществ. Автотрофные организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических, используя энергию Солнца и энергию окисления веществ • Консументы (растительноядные и плотоядные животные, грибы) —потребители органических веществ, синтезированных автотрофами. • Редуценты (грибы, микроорганизмы, черви, насекомые) — разрушители органических веществ до простых минеральных соединений, вновь используемых продуцентами. Консументы - 1-го порядка – растительноядные, 2-го – хищники, 3-го – хищники, паразиты Продуценты – зелёные растения Редуценты – бактерии, грибы 25
26. ЦЕПЬ ПИТАНИЯ (ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ) • Это ряд взаимосвязанных видов, каждый из которых служит пищей предыдущему. Комплексы взаимосвязанных трофических цепей в реальных биогеоценозах образуют пищевые сети. • Пищевая сеть: животные могут питаться организмами с разных трофических уровней, из разных пищевых цепей, особенно хищники высоких уровней 26
27. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ • Пирамида чисел – отражает численность особей на каждом трофическом уровне • Пирамида биомассы – отражает количество сухого органического вещества на каждом трофическом уровне • Пирамида энергии – отражает количество энергии, заключённой в особях каждого трофического уровня. • Правило экологической пирамиды: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, образованной за единицу времени, больше, чем на последующем, в 10 раз 27
28. ТРОФИЧЕСКИЕ УРОВНИ • Каждое звено способно использовать только 5—15 % (в среднем 10 %) энергии, поэтому типичная цепь питания состоит не более чем из 4—6 взаимосвязанных звеньев. Каждое звено цепи питания — трофический уровень. 28
29. ВИДОВАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ • Видовая структура – одна из важнейших характеристик сообщества. Её главные показатели – число видов (видовой состав), и количественное соотношение особей (численность популяций). • Пространственная структура экосистемы – это ярусность растений, входящих в её состав (чаще всего, и в качестве наиболее яркого примера). 29
30. СВОЙСТВА ЭКОСИСТЕМЫ • Экосистема (биоценоз) – открытая, устойчивая, саморегулирующаяся система • Все экосистемы связаны между собой круговоротом веществ, реализуемым через пищевые сети, а также – благодаря атмосферным и геологическим явлениям. Пищевые связи в экосистемах характеризуют с помощью экологических пирамид • Устойчивость – способность выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями • Саморегуляция – способность поддерживать определённую численность особей популяций в сообществе • Целостность — в результате взаимодействий организмов между собой и факторами неживой природы возникают потоки энергии и круговорот веществ, объединяющих их в единое целое 30
31. УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ • Биосфера — оболочка Земли, которую населяют живые организмы. Биогеоценоз является элементарной структурой биосферы. Сама биосфера состоит из совокупности всех биогеоценозов и рассматривается как большая экологическая система. • Биосфера – земная оболочка, область существования живого вещества. Включает в себя живые организмы и изменённую ими среду обитания (атмосферный кислород, горные породы органического происхождения, и т. п.) • Совокупная биомасса Земли – примерно 2,4*1012т (это ок. 0,01% массы всей биосферы), из них 97% - растения, 3% - животные. 31
32. ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ • Атмосфера – высота 100 км, делится на Стратосферу (высота до 15 км)?? и Тропосферу (высота 50 км) • Гидросфера – глубина от 3,5 км до 11 км • Литосфера – осадочные породы + базальтовый слой • Биосфера – совокупность живых и мёртвых организмов, находящихся в нижних частях атмосферы, верхних слоях гидросферы, литосферы • Биосфера=экосфера – совокупность экосистем 32
34. СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ 34
35. КОМПОНЕНТЫ БИОСФЕРЫ (ПО ВЕРНАДСКОМУ) • Живое вещество – совокупность организмов нашей планеты • Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом • Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов • Биокосное вещество — вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д 35
36. ПРИМЕРЫ КЛАССИФИКАЦИИ ПО ВЕРНАДСКОМУ Биогенное вещество Косное вещество Биокосное вещество • Каменный уголь, горючие сланцы, горючие газы, торф, сапропель, нефть. • Почечные и желчные камни, скорлупа яиц, жемчуг, живица, нектар, молоко, мед, воск, натуральный шелк, паутина и т. п. • Гранит, кварц • Почва, ил, кора выветривания, горные породы, вода солёная и пресная, содержащаяся в естественных природных водоёмах, глинистые минералы, воздух, железная и марганцевая руды 36
37. ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА • Газовая – выделение и поглощение организмами газов, поддержание газового баланса атмосферы • Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление веществ с помощью организмов • Концентрационная – накопление организмами определённых веществ • Биохимическая – процессы питания, дыхания, размножения живых организмов, их рост и перемещение по планете • Биогеохимическая – деятельность человека по использованию природных ресурсов для нужд сельского хозяйства, транспорта, промышленности 37
38. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ • Закон сохранения энергии • Закон повышения энтропии + • Закон сохранения вещества • Осуществление функций живого вещества связано с миграцией атомов в процессе круговорота веществ в биосфере. Часть миграции химических элементов, происходящая при участии живых организмов, называется биогенной, а вне их,— абиогенной. Абиотические компоненты Биотические компоненты Вещество, энергия Энергия Солнца 38
39. СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ 39
40. ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В БИОСФЕРЕ, ВЫЗВАННЫЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ЧЕЛОВЕКА • Парниковый эффект • Нарушение озонового экрана • Загрязнение водоёмов • Кислотные дожди • Эрозия почв и опустынивание • Смог • Вырубка лесов 40
41. ДОМАШНЯЯ РАБОТА • 1488463 – экологические факторы (14) • 1488466 – экология+эволюция (15) 41
42. ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ ВЕРНАДСКИЙ (1863-1945) • Русский, украинский и советский учёный-естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель. Создатель научных школ и науки биогеохимии. Один из представителей русского космизма. • В круг его научных интересов входили: минералогия, кристаллография, геохимия, геология, почвоведение, радиогеология, биология, палеонтология, биогеохимия, метеоритика, философия и история науки. Кроме того, занимался организаторской и общественной деятельностью. • Создал учение о биосфере и ноосфере • В. И. Вернадский рассматривал различные гипотезы панспермии в историческом контексте, он пришёл к заключению лишь об извечности жизни в течение геологического времени. Живое вещество развивается в реальном пространстве, которое обладает определённой структурой, симметрией и дисимметрией. Строение вещества соответствует некоему пространству, а их разнообразие свидетельствует о разнообразии пространств. Таким образом, живое и косное не могут иметь общее происхождение, они происходят из разных пространств, извечно находящихся рядом в Космосе. Объяснял пространство живого как единство пространства- времени. 42