Раздел 2 Факториальная экология

Среда обитания –это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. На нашей планете живые организмы освоили четыре основные среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий: водная среда (первая, в которой возникла и распространилась жизнь); наземно-воздушная; четвертая – сами живые организмы (паразита и симбионты).

Закон оптимума –каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организмы. Результат действия переменного фактора зависит, прежде всего, от силы его проявления. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.

Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума).

В 1913 году американец В. Шелфорд сформулировал закон толерантности – лимитирующим фактором существования вида может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия.

Рисунок 1 – Графическое изображение закона оптимума

Задание

Вариант -1

1. Посоветуете ли Вы предпринимателю высадить сливу в Санкт-Петербурге, где средняя месячная температура воздуха зимой равна 30 ⁰С. Толерантность сливы – 25⁰ С +30⁰ С; оптимум равен –18⁰ С +20⁰ С.

2. Что Вы посоветуете предпринимателю для получения запланированного урожая с посадок картофеля, если для нормального плодоношения необходима следующая концентрация питательных веществ в почве: азот – 2-3 мг/кг; калий – 0,9-3,0 мг/кг; фосфор – 1,7-1,9 мг/кг; кремний – 0,006-0,009 мг/кг; цинк – 0,07-0,09 мг/кг, а химический анализ почвы на период завязки плодов показал, что: азот – 3 мг/кг; калий – 0,4 мг/кг; фосфор – 1 мг/кг; кремний – 0,02 мг/кг; цинк – 0,08 мг/кг

3. Изобразите графически биологический оптимум и пределы толерантности к влажности среды для популяции клеща, и определите, выживет ли она при температуре + 30⁰ С, если при изменении температуры на 1⁰ С влажность меняется на 1%. При температуре 20⁰ С толерантность клеща к влажности 45-90 %, для нормальной жизнедеятельности необходима влажность 60-70 %.

Вариант -2

1. Посоветуете ли Вы предпринимателю высадить грецкий орех в Астрахани, где средняя месячная температура воздуха зимой равна -20 ⁰С. Толерантность грецкого ореха равна – 15⁰ С +30⁰ С; оптимум равен –10⁰ С +18⁰ С.

2. Что Вы посоветуете предпринимателю для получения запланированного урожая с посадок томата, если для нормального плодоношения необходима следующая концентрация питательных веществ в почве: азот – 3-4 мг/кг; калий – 0,6-0,8 мг/кг; фосфор – 0,9-1,2 мг/кг; молибден– 0,001-0,004 мг/кг; цинк – 0,005-0,008 мг/кг, а химический анализ почвы на период завязки плодов показал, что: азот – 2 мг/кг; калий – 0,4 мг/кг; фосфор – 1 мг/кг; калий – 0,06 мг/кг; молибден – 0,008 мг/кг, цинк – 0,01 мг/л.

3. Изобразите графически биологический оптимум и пределы толерантности к температуре среды для популяции тли, и определите, выживет ли она при скорости ветра 25 м/с, если при изменении скорости ветра на 1 м/с температура меняется на 1⁰ С. При скорости ветра 5 м/с толерантность тли равна -35-+40 ⁰С, для нормальной жизнедеятельности необходима температура -5-+25 ⁰С.

Раздел 3 Демэкология

Дэмэкология –изучает взаимоотношения между организмами одного вида в пределах популяций и средой их обитания, а также экологические закономерности существования популяций.

Популяция – группа свободно скрещивающихся особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющая общую территорию.

Групповые характеристики – численность (общее количество особей на обитаемой территории); плотность (среднее число особей на обитаемой территории); рождаемость (число новых особей за единицу времени); смертность (количество погибших особей за единицу времени); прирост (разница между рождаемостью и смертностью); темп роста (средний прирост за единицу времени).

Важнейшим свойством популяции является динамика численности– процессы изменения ее групповых характеристик во времени. Особое значение в изучении динамики придается изменениям численности и механизмы ее регулирования, т.к. для любой популяции существуют пределы снижения численности особей. За которыми популяция гибнет (численность не должна уменьшаться ниже пределов, за которыми снижается вероятность встречи партнеров для скрещивания).

Гомеостаз популяции –поддержание оптимальной в данных условиях численности. Пределы снижения численности имеют следующую зависимость – чем меньше особи тем пределы выше ( у бакланов – 10 тыс. особей, а у северного оленя – 300 голов). Поэтому популяции сами регулируют свою численность, с помощью регулирующих факторов (биотических), чем выше численность. Тем сильнее срабатывают механизмы уменьшающие ее и наоборот – это основа гомеостаза популяций.

К числу регулирующих факторов относят:

1. Отношения «хищник-жертва», «паразит-хозяин». Высокая численность жертвы создает пищевые условия для размножения хищника. Хищник, увеличив численность, снижает количество жертвы. Численность обоих видов в результате этого носит синхронно-колебательный характер, причем численность популяции никогда не упадет до нулевых значений.

2. Конкуренция в мягких и жёстких формах. Жесткие формы – гибель части особей. Пример: самоизреживание фитоценозов, которое дает пространство для более сильных особей, а слабые включаются в круговорот веществ. Каннибализм у животных – взрослые окуни и судаки питаются мальками своего вида – старшие поедают младших. Белые аисты не найдя места для гнезда выкидывают чужих птенцов.

3. Выделения во внешнюю среду. Пример: молодое поколение леса не появляется под пологом материнского, не только из-за дефицита света и питания, а вследствие выделения корнями особых веществ, препятствующих росту молодых побегов; по мере старения леса он начинает омолаживаться.

4. Территориальность – способ охраны занимаемой территории: пение птиц, мечение границ, отметины на коре и почве. Пример: коала – метит территорию на площади 60 га и ее мускусный запах держится1 год.

5. Стрессовые явления у млекопитающих при перенаселенности приводят к потере репродуктивных функций (крокодилы, кенгуру).

6. Миграции – уход части особей в другие популяции с меньшей плотностью населения.

Биотический потенциал –теоретически возможное потомство от одной пары особей. Пример: косуля за всю жизнь производит – 10 козлят, дрожжевые клетки за несколько часов покроют все пространство Земли.

Когда увеличение численности идет по j-образной кривой, ее называют экспоненциальной. Она характерна для человека, ноя для большинства организмов выживаемость характеризуется сигмовидной кривой – численность увеличивается до определенного момента. Когда по каким-либо причинам (уменьшение пищевых ресурсов, изменение факторов среды) темп роста снижается до нуля и кривая выходит на плато- популяция стабильна, численность не меняется.

В природе рост численности популяций никогда не бывает бесконечным. Поскольку ресурсы, за счет которых существуют виды имеют пределы, которые называют емкостью среды.

Задание

«Построение и анализ кривой роста»

1. По данным таблицы построить в масштабе кривую роста данной популяции.

2. Выделить периоды с экспоненциальным и сигмовидным ростом.

3. Выяснить причины колебания численность популяции и дать анализ динамики популяции по годам и на будущее.

ВАРИАНТ -1

Таблица 2 - Изменение численности популяции трески по годам

Численность, тыс.
Годы

ВАРИАНТ -2

Таблица 3 - Изменение количества деревьев сосны по годам

Количество, тыс.
Годы

Популяция характеризуется определенной структурной организацией, которая называется структурой популяции – соотношение групп особей по полу, возрасту, распределение по территории и т.д. Она формируется под влиянием факторов среды и популяций других видов.

Распределение по территории – отражает характер распределения особей в пределах занимаемого ареала. Распределение может быть равномерное (свойственно популяциям, существующим в условиях равномерного распределения факторов среды), неравномерное (характерно для популяций, состоящих из особей, ведущих групповой образ жизни) и случайное.

Возрастная структура – соотношение особейразличных возрастов. Наибольшей жизнеспособностью отличаются популяции, в которых все возраста представлены равномерно, такие популяции называют нормальными. Если преобладают старческие особи, то такие популяции называют вымирающими и требуются меры по выявлению причин такого состояния.

При эксплуатации человеком природных популяций учет их возрастной структуры имеет огромное значение. Если популяция находится в нормальном состоянии, то человек может из нее изымать то количество биомассы, которая производится за промежуток времени между изъятиями. Пример: лесоводами разработаны различные виды рубок не влияющие на экологическое состояние и продуктивность лесов: рубки промежуточного (проводятся во всех возрастах древостоя) и главного пользования (убирается часть древостоя достигшего возраста спелости), такой тип ведения хозяйства – мягкое управление природными процессами.

Половая структура – численное соотношение самок и самцов в различных возрастных группах. Пример: на 100 новорожденных девочек приходится 106 мальчиков, к 18 годам соотношение выравнивается, к 50-ти годам на 100 женщин приходится 85 мужчин, к 80-ти мужчин в 2 раза меньше, чем женщин.

Задание

«Определение групповых характеристик и структуры популяции на современный уровень и на год вперед»

ВАРИАНТ -1

На территории 2 га обитает популяция ежей в количестве 27 особей, соотношение самок и самцов 1:2; детенышей – 12; репродуктивного возраста – 9 особей; старческих – 6 особей. Самка производит на свет 6 детенышей в год. Ежегодно уничтожается по различным причинам в среднем по 3 особи в каждой возрастной группе. Гомеостаз популяции – 30 особей.

ВАРИАНТ -2

На территории 10 га обитает популяция синиц в количестве 180 особей, соотношение самок и самцов 1:3; детенышей – 40; репродуктивного возраста – 100 особей; старческих – 40 особей. Самка высиживает 4 птенца в год. Ежегодно уничтожается по различным причинам в среднем по 20 особей в каждой возрастной группе. Гомеостаз популяции – 200 особей.

Раздел 4 синэкология

Любая экосистема включает несколько трофических (пищевых) уровней или звеньев. Первый уровень представ­лен растениями. Их называют автотрофами (греч. аутос - сам; трофо - пища) или продуцентами (лат. продуцена - создающий). Второй и последующие уровни представлены животными. Их на­зывают гетеротрофами (греч. геторос - другой) или консумен-тами. Последний уровень в основном представлен микроорганиз­мами и грибами, питающимися мертвым веществом. Их называ­ют редуцентами (лат. редуцере - возвращать). Они разлагают органическое вещество до исходных минеральных элементов.

Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь (рис. 26).

Рисунок 26 – Трофическая (функциональная) структура экосистемы (цепь пи­тания) и круговорот вещества в ней.

Задание

Вариант 1

1. Подберите организм, к каждой трофической группе. Составьте пищевую сеть из приведенного списка организмов. Укажите трофические уровни и тип сети.

Трофическая группа	Организм
Гетеротрофы	Верблюд
Автортрофы	Стервятник
Продуценты	Жук-навозник
Консументы	Тушканчик
Паразиты	Растения
Редуценты	Шакал

2.Определите площадь под посев люцерны, для обеспечения вторичной продукцией население численностью 300 чел. в течение года, если одному человеку массой 85 кг, в среднем необходимо 800 кг мяса/в год. С одной забитой коровы получают 190 кг мяса, а для ее прокорма требуется 240 кг люцерны. Годовой урожай люцерны составляет 100 ц/га. Постройте пирамиду чисел в масштабе, если норма высева люцерны составляет 3,5 млн./га.

Вариант 2

1.Подберите организм, к каждой трофической группе. Составьте пищевую сеть из приведенного списка организмов. Укажите трофические уровни и тип сети.

Трофическая группа	Организм
Гетеротрофы	Кукушка
Автортрофы	Бактерии
Продуценты	Листовая подстилка леса
Консументы	Черный дрозд
Паразиты	Ястреб
Редуценты	Майский жук

2. Определите площадь под посев люцерны, для обеспечения вторичной продукцией население численностью 550 чел. в течение года, если одному человеку массой 65 кг, в среднем необходимо 70 кг мяса/в год. С одной забитой коровы получают 190 кг мяса, а для ее прокорма требуется 230 кг люцерны. Годовой урожай люцерны составляет 100 ц/га. Постройте пирамиду биомассы в масштабе, если норма высева люцерны составляет 3 млн./га.

Раздел 5 Аутэкология

5.1 НАЗЕМНО-ВОЗДУШНАЯ СРЕДА ЖИЗНИ И ЕЁ АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Наземно-воздушная среда -самая сложная по экологическим условиям. Жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые оказались возможными лишь при достаточно высоком уровне организации и растений и животных

Световой режим

Всем живым организмам для осуществления процессов жизнедеятельности необходима энергия, поступающая от солнечной радиации.

Для животных это ориентирование в окружающей среде, информация о внешних условиях. Зелёным растениям свет нужен для образования хлорофилла, регуляции работы устьиц, газообмена, стимуляции синтеза белков и РНК, определения сроков плодоношения и цветения. Большое значение имеет свет в использовании солнечной энергии в процессе фотосинтеза. С этим связаны основные адаптации растений по отношению к свету.

Среди УФЛ до поверхности Земли доходят только длинноволновые (290-380 нм), а коротковолновые, губительные для живого вещества, практически полностью поглощаются озоновым экраном на высоте 25-30 км. Длинноволновые лучи, обладающие большой энергией фотонов, имеют высокую химическую активность. Большие их дозы вредны для организмов, а небольшие, необходимы многим видам, в диапазоне 250-300 нм УФЛ оказывают мощное бактерицидное действие и у животных вызывают образование антирахитичного витамина D, поэтому многие млекопитающие и птицы, выводящие детёнышей в норах выносят их утром на освещённые участки, проводя «солнечное купанье»; при длине волны 200-400 нм вызывают у человека загар, который является защитной реакцией кожи.