Биоиндикация по возрасту хвои сосны.

Биоиндикация – это оценка состояния окружающей среды по реакции живых организмов (растения, животные). Сущность биоиндикации в том, что определенные факторы среды создают возможность существования того или иного вида. Виды, которые позволяют выявить специфические особенности среды, называют индикаторами. Биоиндикация дает возможность судить об изменениях состояния среды и прогнозировать направление этих изменений.

При изучении степени загрязнения окружающей среды важна реакция организмов на загрязнители. Систему наблюдений за этой реакцией называют биологическим мониторингом.

Хвойные растения также чувствительны к загрязнению среды. Они особенно сильно страдают от сернистого газа. Продолжительность жизни хвои у сосны составляет 3-4 года. За это время она накапливает такое количество сернистого газа, которое может существенно превысить пороговые значения.

Под влиянием токсиканта у сосны происходят следующие изменения:

уменьшение продолжительности жизни хвои

отмирание побегов

появление некрозов (омертвление тканей)

изреживание кроны

уменьшение ширины годичных колец

Остановимся на этих признаках.

Хвоепад (листопад) у сосны происходит осенью. Зеленые хвоинки располагаются на прошлогодних и побегах этого года, а желтые на более старых, которым уже более 3 лет. Также у сосны происходит изреживание кроны, появляется много сухих веток, покрытых редкой короткой хвоей. Сернистый газ поглощается растением через устьица, растворяется в жидкой фазе клеток (цитоплазме) и вызывает отравление живых тканей (схема №1).

Скорость поступления фитотоксиканта сильно зависит от влажности воздуха и насыщенности листьев водой. Увлажненные хвоинки поглощают сернистый газ в несколько раз больше, чем сухие. Растение интенсивно накапливает в тканях серу. Молодые хвоинки (молодые деревья) активнее поглощают сернистый газ, чем старые. Поэтому возраст сосновой хвои указывает на степень загрязнения. При концентрации сернистого газа 1:1000000 хвоя сосны опадает. Фотосинтез полностью прекращается.

Появление некрозов (омертвление тканей) чаще проявляется на хвоинках сосны под влиянием загрязняющих веществ. Различают следующие виды некрозов:

краевой некроз (по краям хвоинки);

срединный некроз;

точечный – отмирание тканей листа в виде пятен, рассыпанных по всей поверхности хвоинки.

При проведении работы для получения достоверных результатов обычно отбирают 200 хвоинок. Разбор их проводится в лаборатории. Все хвоинки делятся на группы в соответствии с выше приведенными классами усыхания и повреждения. После этого данные нынешнего года сравнивают с предыдущими и находят изменения, либо сравнивают полученные результаты из районов загрязнения и контрольного.

При проведении данной работы можно также провести оценку продолжительности жизни хвои. Каждая мутовка сверху – год жизни дерева. Определив класс повреждения и продолжительность жизни хвои, можно оценить класс загрязненности воздуха

Биоиндикация.

Применение в экологии

Биоиндикация используется в экологических исследованиях, как метод выявлення антропогенной нагрузки на биоценоз. Метод биоиндикаторов основан на исследовании воздействия изменяющихся экологических факторов на различные характеристики биологических объектов и систем. В качестве биоиндикаторов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым факторам биологические системы или организмы. Изменения в поведении тест-объекта оценивают в сравнении с контрольными ситуациями, принятыми за эталон. Например, при оценке экологического состояния поверхностных вод в качестве биоиндикаторов используют наблюдение за поведением дафний, моллюсков, некоторых рыб и т.п..

Применение в геологических исследованиях

Ряд растений-индикаторов определённым видимым образом реагирует на повышенные или пониженные концентрации микро- и макроэлементов в почве. Это явление используется для предварительной оценки почв, определения возможных мест поиска полезных ископаемых.

Биосфера. Биоценоз.

Биосфера – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты.

Сущность учения Вернадского:

· Признает исключительную роль «живого вещества» преобразующий облик планеты.

· Представление об организации биосферы, т е взаимные приспособления организма и среды

· Представление о формах превращения вещества так называемая биогенная миграция атомов.

· Представление о возникновение, о развитие растений в процессе длительной эволюции, в результате взаим абиотических и биотических факторов.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего, наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни.

Та часть биосферы, где живые организмы встречаются в наст назыв современной или необиосферой.

Древние биосферы, относящиеся к палеобиосфере это безжизненное скопление вещества.

Биосфера включает:

а) живое вещество – совокупность живых организмов выраженных через массу, энергию и химический состав.

б) биогенное – уголь, известняк

в) косное – в его образование живое вещество не участвует (магматические горные породы, минералы)

г) биокосное – создается с помощью живых организмов

д) радиоактивное

е) космическое

ж) рассеянные атомы

Функции живого вещества

1) Энергетическая

2) Газовая

3) Окислительно-восстановительная

4) Контракционная

5) Деструкционная

6) Средообразующая

биоценоз – совокупность всех живых существ, населяющих более или менее однороднй участок суши или водоема, харак-ся определенными отношениями между организмами и приспособлен к условиям окр среды. Несмотря на то что каждый биоценоз может состоять из 1000 видов растений и животных, большинтсво их играют незначительную роль и лишь несколько являются основными регулирующими функциями:

1) размер

2) Численность

3) Образ жизни представителей

Биоценозы различают:

а) водные

б) наземные

в) воздушные

Биотоп. Экосистема.

Экосистема- единый естественный комплекс, образованный за длинный период живыми организмами и средой, в которой они существуют, и где все компоненты тесно связаны обменом веществ и энергии. Выделяют микроэкосистемы (пенек с грибами, небольшое болото), мезоэкосистемы (участок леса, озеро, водохранилище), макроэкосистемы (континент, океан). Глобальной экосистемой является биосфера нашей планеты.

Впервые термин ЭКОСИСТЕМА ввел Тэнсли в 1935 году. Экосистема — это совокупность живых организмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой посредством обмена веществом, энергией, информацией и сохранения устойчивости в течении длительного времени. Экосистема имеет 2 компонента: (1) биотический (живой) (2) среда обитания (не живой). Между ними осуществляется взаимосвязь посредством обмена веществом, энергией, информацией. Экосистема — (среда обитания — экологические факторы, биотические факторы [биотическая структура {продуценты, консументы, редуценты}]). Главные свойства экосистем: Эмерджентность — свойства целого не равно сумме свойств его частей. Непрерывность. Эмерджентность возникает как в результате взаимодействия компонентов, а не как суммирование.

Экологическая система(экосистема) – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин “Экосистема” был введен в экологию английским ботаником А.Тенсли.

Различают водные и наземные экосистемы. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем – или слитых в однородные комплексы или разделенных другими экосистемами.

В каждой наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент – сообщество, или биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции) данного вида в экосистеме. Биоценоз очень трудно рассматривать отдельно от биотопа, поэтому вводят такое понятие, как биогеоценоз ( биотоп+биоценоз). Биогеоценоз - элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Этот термин ввел В.Н.Сукачев.

Каждая экосистема имеет определенную функциональную структуру.

В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различимые по способу питания:

автотрофы (“самопитающиеся”)

гетеротрофы (“питающиеся другими”).

Консументы –потребители органического вещества живых организмов.

Дитритофаги, или сапрофаги, - организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных.

Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии.

Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа, обусловливая самоочищение экосистемы, ее среды.

В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный обратимый химический процесс.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.

Прослеживая пищевые взаимоотношения между членами биоценоза, можно построить пищевые цепи и пищевые сети питания различных организмов. Различают несколько типов пищевых систем:

Пастбищные пищевые цепи (цепи эксплуататоров)

Цепи паразитов

Детритные цепи

Благодаря определенной последовательности пищевых отношений различаются отдельные трофические уровни переноса веществ и энергии в экосистеме, связанные с питанием определенной группы организмов. Так, первый трофический уровень во всех экосистемах образуют продуценты – растения, второй – первичные консументы- фитофаги, третий – вторичные консументы- зоофаги и т.д. Совокупность трофических уровней различных экосистем моделируется с помощью трофических пирамид численностей, биомасс и энергий.

Экосистему можно представить в виде диаграммы потока энергии. Она существенно зависит от типа экосистемы, исходной биомассы продуцентов и числа трофических уровней. Для реальных систем характерно ветвление потоков энергии.

Вход системы – поток солнечной энергии. Большая ее часть рассеивается в виде теплоты. Часть энергии, эффективно поглощенная растениями, преобразуется фотосинтезом в энергию химических связей углеводов и других органических веществ. Это валовая первичная продукция (ВПП, брутто-продукция) экосистемы. Часть ее веществ окисляется в процессе дыхания растений и освобождает энергию. Эта энергия используется в других биохимических процессах в растении и в конечном счете также рассеивается в виде тепла. Оставшаяся часть новообразованных органических веществ обусловливает прирост биомассы растений – чистую первичную продукцию (ЧПП, нетто-продукцию) экосистемы. Отношение чистой продукции к валовой, т.е. коэффициент эффективности фотосинтеза, зависит от типа растительности.

Суммарная биомасса стабильной экосистемы относительно постоянна. При переходе от одного трофического уровня к другому часть доступной энергии не воспринимается, а часть расходуется на дыхание. В среднем при переходе с одного трофического уровня на другой общая энергия уменьшается приблизительно в 10 раз (“правило 10%”). Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии. Поэтому число трофических уровней никогда не бывает слишком большим. Диаграммы потоков энергии существенно зависят от типа экосистемы, исходной биомассы продуцентов и числа трофических уровней.

В природных экосистемах происходят постоянные изменения состояния популяций организмов. Они вызываются разными причинами.

Кратковременные – погодными условиями и биотическими воздействиями, сезонные – большим годовым ходом температуры. От года к году – различными случайными сочетаниями абиотических и биотических факторов. Однако все эти колебания, как правило, более или менее регулярны и не выходят за границы устойчивости экосистемы. Такое состояние экосистемы носит название климаксного.

Климаксные сообщества характеризуются устойчивым динамическим равновесием между биотическими потенциалами входящих в сообщество популяций и сопротивлением среды.

Экосистема — весь комплекс совместно живущих на одной территории и связанных друг с другом разных видов.

Большие экосистемы рекурсивно включают в себя малые экосистемы. Так, самой большой системой является биосфера — экосистема нашей планеты. Биосфера включает в себя менее крупные экосистемы, те в свою очередь еще более мелкие и так далее.

Но экосистема, понятие которой ввел в 1935 году А.Тенсли — понятие неконкретное, безранговое. Т.е. может существовать экосистема леса, экосистема луга, экосистема озера.

Для обозначения частного случая экосистемы в 1940 году В.Н. Сукачев (русский ученый-биолог) ввел понятие биогеоценоза для обозначения конкретной экосистемы: озеро Гороховое, Алольский сосновый лес).

Тем не менее экосистема и биогеоценоз являются взаимозаменяемыми понятиями.

В общем случае экосистема является соцетанием взаимодействующего биоценоза и биотопа. Биоценоз — совокупность фактров живой природы (солнечная энергия, продуценты, консументы, редуценты).

Биотоп — совокупность факторов неживой природы (территория + абиотические факторы: свет, вода, etc. + экотоп)

Биоэкология.

Биоэкология - это экология в первоначальном понимании термина,

то есть часть биологии, изучающая отношения организмов (особей,

популяций, биоценозов и т.п.) между собой и окружающей средой. Вместе

с тем - это биологическая основа (базис) современной экологии.

В структуре современной экологии, предложенной Н.Ф. Реймерсом

(1994), биоэкология выглядит следующим образом:

СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОЙ БИОЭКОЛОГИИ

· Системная экология

· Экология систематических групп

· Эволюционная экология

· Палеоэкология

Биоэкология включает в себя системную экологию, экологию систематических

групп, эволюционную экологию и палеоэкологию.

Системная экология - это совокупность научных дисциплин, исследующих

взаимоотношения системных биологических структур (биотических систем) между

собой и с окружающей их средой.

В зависимости от иерархического уровня организации биологических структур

(биотических систем) биоэкологию подразделяют на эндоэкологию и экзоэкологию.

Эндоэкология:

- молекулярная экология (в т.ч. экологическая генетика);

- физиологическая экология (экология индивида).

Экзоэкология:

- аутоэкология (особей и организмов как представителей вида);

- демэкология (экология малых групп);

- популяционная экология;

- специоэкология (экология вида);

- синэкология (экология сообществ);

- биоценология (экология биоценозов);

- биогеоценология (учение об экосистемах различного иерархического уровня

организации);

- учение о биосфере (биосферология);

- экосферология (глобальная экология /выходит за рамки биосферы, изучая всю

экосферу планеты как космического тела/).

Биоэкология при изучении взаимосвязей организмов окружающей среды предполагает биологический подход при оценке процессов и явлений и их последствий. Она изучает основные принципы строения и функционирования организмов и надорганизменных систем, их взаимоотношения между собой и со средой их обитания.

По уровням изучаемых биологических систем биоэкологию подразделяют на:

1. Ауэтэкология

2. Демэкология

3. Эйдэкология

4. Синэкология

Аутэкология изучает взаимоотношения особей с внешней средой. Ее основной задачей является установление пределов существования особей (организмов) и тех пределов физико-химических факторов, которые выбирает организм из всего диапазона их значений.

Демэкология изучает естественные группировки организмов одного вида - популяции, т.е. элементарные надорганизменные макросистемы. Ее основной задачей является выяснение условий, при которых формируются популяции, а также изучение внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношений, структуры, динамики и численности популяции.

Эйдэкология (экология видов) - наименее разработанное направление современной биоэкологии.

Синэкология или экология сообществ изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, пути формирования и развития биоценозов, их структуру и динамику, взаимодействие с факторами среды, энергетику, продуктивность и другие особенности.

Виды классификации:

1)по уровню организации

а) аутэкология или экология организмов. Исслед отдельные организмы, его индивидуальные связи со средой, изолиров от остальных компонентов системы

б) синэкология – экология сообществ. Биоценология. Комплексное изучение групп организмов, составляющие определенное единство (взаимоотношение сообществ, экосистем со средой)

в) демэкология – популяционная экология. Изучает взаимоотношения между организмами одного вида и средой обитания.

2)по объектам и средам

а) по объектам – экология человека, животных, экология микроорганизмов

б) по средам – экология пресных вод, экология моря, океана, суши.

в)по уровню организации – экология клетки, экология организма, экология сообществ