синэкология Автор: учитель экологии и информатики МОУ «Тогурская СОШ» Трифонова Ольга Юрьевна

Синэкология Синэкология (от греч. Syn – вместе) – раздел экологии, изучающий ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов (биоценозы), пути их формирования и их взаимодействие с окружающей средой. Термин «синэкология» предложил швейцарский ботаник К.Шретер в 1902 году.

В природе популяции разных видов объединяются в макросистемы более высокого ранга – так называемые сообщества, или биоценозы. Популяция + популяция ……+ популяция = Биоценоз (от греч. Bios – жизнь, koinos – общий) – это совокупность популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено немецким зоологом Карлом Мебиусом в 1877 году.

фитоценоз зооценоз микробиоценоз биоценоз

Биотоп Биотоп – пространство, занятое биоценозом и включающее в себя совокупность абиотических условий (воду, почву, воздух). Биотоп можно рассматривать как местообитание биоценоза.

Биоценоз и биотоп представляют собой два неразрывных компонента экосистемы

Экосистема Экосистема – это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды, функционирующих как единое целое за счет обмена веществом, энергией и информацией. Ввел термин «экосистема» английский ученый А. Тенсли в 1935 году

Экосистемы можно разделить на: Микроэкосистемы (ствол гниющего дерева); Мезоэкосистема (лес, пруд, озеро); Макроэкосистема (континент, океан); Глобальная экосистема (биосфера).

Между экосистемами обычно нет четких границ, и одна экосистема постепенно переходит в другую. Большие экосистемы состоят из экосистем меньшего размера. На рисунке показана «матрешка» экосистем.

Биогеоценоз Биогеоценоз - это эволюционно сложившийся комплекс популяций различных видов, обладающий определенными типами взаимодействий как между организмами, так и с окружающей абиотической средой. Термин «биогеоценоз» предложил в 1940 году русский ученый Владимир Николаевич Сукачев.

Экосистемыестественныеантропогенные Естественные экосистемы сформировались и существуют самостоятельно, возникновение и стабильность антропогенных (искусственных ) экосистем всецело зависит от человека.

Природная экосистема Искусственная экосистема (сад)

Связи в биогеоценозе. В биогеоценозе между организмами существуют разные связи. Трофические связи - когда один вид питается другим, либо живыми особями, либо мертвыми их остатками, либо продуктами жизнедеятельности.

Связи в биогеоценозе. В биогеоценозе между организмами существуют разные связи. Топические связи - изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого «тропические лианы средства передвижения для обезьян». Характеризуют любое физическое или химическое, изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого. Морские желуди, поселяющиеся на коже китов, личинки мух, обитающие в коровьем навозе, лишайники на стволах деревьев связаны прямой топической связью с теми организмами, которые предоставляют им субстрат или среду обитания. Особенно большая роль в создании или изменении среды для других организмов принадлежит растениям.

Связи в биогеоценозе. В биогеоценозе между организмами существуют разные связи. Форические связи - участие одного вида в распространении другого «шмель - пыльца цветов». Перенос животными семян, спор, пыльцы растений называют зоохорией, перенос других, более мелких животных - форезией.

Связи в биогеоценозе. В биогеоценозе между организмами существуют разные связи. Фабрические связи использование одним видом для своих сооружений продукты выделения, либо мертвые остатки, либо даже живых организмов. Примером может служить использование муравьями перьев птиц для строительства муравейника, или птицы собирают шерсть животных для гнезд. Птицы употребляют для постройки гнезд ветки деревьев, шерсть, траву, листья, пух и перья. Личинки ручейников строят домики из кусочков веток, коры или листьев растений, из раковин мелких видов катушек, захватывая даже раковины с живыми моллюсками. Пчела - мегахила помещает яйца и запасы в стаканчики, сооружаемые из мягких листьев различных кустарников.

Структура сообщества Пространственная структура Горизонтальная структура Вертикальная структура Видовая структура

Вертикальная структура Ярусность В ходе длительной эволюции, приспосабливаясь к определенным абиотическим и биотическим условиям, живые организмы в итоге так разместились в биогеоценозе, что практически не мешают друг другу т.е. их распределение носит ярусный характер. Ярусность – это явление вертикального расслоения биоценозов на разновысокие структурные части. Наиболее четко это можно увидеть в фитоценозах.

Ярусная структура леса 1 – деревья (ель, сосна, дуб, береза, осина). 2 – деревья (рябина, черемуха) 3 – кустарники- подлесок (лещина, бересклет, шиповник) 4 – кустарнички и высокие травы (багульник, аконит, вереск, иван-чай) 5 – низкие кустики, травы, папоротники ( клюква, кисличка) 6 – мхи, лишайники, грибы Подземные части (корни) тоже расположены ярусно. В поверхностных слоях корней больше, чем на глубине. Растения создают среду для животных. Они тесно связаны между собой. Поэтому можно сказать что животные тоже расположены ярусно. Ярусное расположение растений в разных биогеоценозах: 1 - ельник, 2 - дубрава, 3 - тропический лес

Горизонтальная структура Любое сообщество: лес, луг или болото представляет собой пеструю мозаику разнообразных пятен растительности и связанных с ней животных. Эта мозаика имеет крупные и мелкие формы. Скопления деревьев в лесу могут занимать площадь в десятки и сотни квадратных метров, а пятна трав, дернинки мхов, пни, валежины и муравейники имеют незначительные размеры. Для обозначения крупных мозаик горизонтальной структуры сообщества было предложено понятие парцелла. Группы деревьев, у которых кроны перекрываются и которые воздействуют на обитателей нижних этажей леса как единое целое, можно назвать парцеллами. Поляна в лесу или окно от ветровального дерева - это тоже парцеллы. Каждая парцелла отличается от других по своему составу (набору видов), строению, особенностям условий внешней среды, характеру круговорота вещества и энергии. Парцеллярное сложение проявляется в сообществах разных типов: лесных, луговых и болотных. Например, на любом лугу мы можем наблюдать мозаику хорошо заметных пятен ярко цветущих трав. Кочки и межкочечные пространства на осоковом болоте резко отличаются по экологическим условиям и тоже являются парцеллами. Совсем мелкие пятна горизонтальной мозаики сообщества: пни, валежины, тропы животных, дернины мхов, куртины трав и кустарничков - называются ареолами.

Видовая структура Каждый конкретный биоценоз характеризуется строго определенным видовым составом. При этом одни виды могут быть представлены многочисленными или малочисленными популяциями, можно выделить один или несколько видов, определяющих облик сообщества. Например: дубрава – дуб, бор – сосна, ковыльно- типчаковая степь – ковыль и типчак. В лесу с десятком видов растений только один или два дают 90% древесины, эти виды называются - доминантами (название сообществу дается по этим видам, например: сфагновое болото, лиственничный лес). Виды живущие за счет доминантов называются предоминантами (виды кормящиеся на дубе – насекомые, сойки, мыши). Есть еще виды эдификаторы, это виды создающие условия для жизни других видов (например: ель – густые, затемненные леса, повышенная влажность, кислые почвы)

Видовая структура Все виды биоценоза связанны с доминантами и эдификаторами, они зависят от них, так создаются консорции (термин был предложен в 1951 году В.Беклемишевым, А.Раменским). Консорция – это группа организмов тесно связанных между собой в процессе жизнедеятельности. Это основная функциональная единица сообщества. Например - ель с ней тесно связаны: Ель – ядро консорции, а те кто с ней связаны – консорты. Ель Еловая огневка Насекомоядные птицы Хищники Лишайники бородочи Мхи, лишайники Жуки - короеды Микориза Бурундуки, белки, клесты

Трофическая структура Трофе (от греч.) – питание По способу питания все живые организмы делятся на: Автотрофы (греч. autos - сам) – осуществляют превращение неорганических веществ в органические (зеленые растения и некоторые микроорганизмы) Гетеротрофы – (греч. heteros - разный) – используют для питания готовые органические вещества (паразитные высшее растения, грибы, некоторые микроорганизмы, все животные) Миксотрофы – (англ. mix - смешивать) – организмы со смешанным типом питания (эвглена зеленая)

По отношению к пищевым цепям все организмы делятся на: Продуценты (производители) – организмы автотрофы – представляют комплекс зеленых растений, обеспечивающих органическим веществом всё живое население планеты. Консументы (от лат. consumo - потребляю) – организмы гетеротрофы, потребляющие органические вещества созданные продуцентами. Редуценты (от лат. reductio – возвращение ) – организмы, разлагающие органические вещества и превращающие их в неорганические вещества, усваиваемые другими организмами.

Трофический уровень Роль организмов в пищевой цепи Категория организмов IСоздают органические вещества из неорганических с использованием энергии Солнца или энергии химических реакций Продуценты гелиотрофы фототрофы (зеленые растения или сине-зеленые водоросли); Хемотрофы (некоторые виды бактерий) автотрофы IIПитание живым органическим веществом растительного происхождения Консументы первичные фитофаги г етеротрофы IIIПитание живыми органическими веществами животного происхождения Консументы вторичные Зоофаги: Нектротрофы (гр. мертвый) убивают объект питания (хищники) Биотрофы (биос – живой) – питаются за счет других оргазнизмов (паразиты) Питаются мелкими остатками разложившихся животных, растений, грибов Детритофаги IVРазложение органических веществ до неорганических Редуценты (деструкторы) Сопротрофы - гнилью

Автотрофы синтезируют органические вещества, а гетеротрофы их потребляют. При этом продукты расщепления органических веществ переходят с уровня на уровень, пока их не используют снова автотрофы. Возникает круговорот вещества и энергии между организмами.

Поток энергии в сообществе – это её переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи) Поток (круговорот) вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее (ч/з химические реакции, происходящие без участия живых организмов) вновь к продуцентам. В отличие от вещества энергия может быть использована в организме 1 раз.

Пищевые цепи и трофические уровни Пищевой цепью называется перенос энергии, заключенной в растительной пище, через ряд организмов в процессе их поедания друг другом. Организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню (от греч. trophe – питание, пища), т.е. это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Зеленые растения (автотрофы) занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, - третий (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов). Различают два типа пищевых цепей: пастбищная и детритная.

Пастбищная цепь питания Пастбищная цепь (цепь выедания) – это поток энергии, идущий от растений через растительноядных животных (их называют пасущимися). Зеленое растение растительноядное животноехищник

Детритные цепи Не используемые консументами остатки потребляемых ими организмов пополняют собой мертвое органическое вещество. Оно состоит из фекалий, содержащих часть неусвоенной пищи, а также трупов животных, остатков растительности (листьев, веток) – детрит. Детритная цепь (цепь разложения) – поток энергии, берущий начало от мертвого органического вещества и проходящий через систему разлагателей.

Пищевые сети Цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются в пищевые сети. (каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов). Консументы тоже бывают полифагаи (много источников пищи).

Экологические пирамиды В каждый трофический уровень обычно входит несколько видов. Например, в лесном природном сообществе группу продуцентов (первый трофический уровень) составляют многочисленные автотрофные виды древесных и кустарниковых пород, кустарничков, трав, мхов, папоротников, лишайников и даже водорослей (на стволах деревьев размещаются многие виды одноклеточных зеленых водорослей). Все эти виды, улавливая солнечную энергию, путем фотосинтеза создают массу органического вещества, которая называется первичной продукцией. Она служит источником питательных веществ и энергии для других трофических уровней видов-консументов и видов- редуцентов, биомасса которых является вторичной продукцией.

Передача живого вещества, т.е. биомассы, с одного трофического уровня на другой, вышележащий, сопряжена с большими потерями вещества и энергии. Подсчитано, что с нижележащего уровня на каждый следующий, вышележащий трофический уровень переходит никак не более 10% биомассы и заключенной в ней энергии. Эта закономерность, получившая название правило 10 процентов (закон Р. Линдемана, 1942 г.), ограничивает длину цепей питания и определяет уменьшение продукции биомассы и энергии по мере продвижения по трофическим уровням. Закономерность уменьшения биомассы и энергии при переходе от первого трофического уровня к последующим получила название правило экологических пирамид, а графическое изображение структуры биомассы и энергии сообщества именуют экологической пирамидой. Графически это можно изобразить в виде пирамид (основанием которых служит первый уровень продуцентов, а последние уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Впервые правило пирамиды сформулировал и изобразил английский биологи и эколог Чарльз Элтон в 1927 году. Четвертый трофический уровень Третичные консументы Третий трофический уровень Вторичные консументы Второй трофический уровень Первичные консументы Первый трофический Первичные продуценты уровень

Различают три типа экологических пирамид: Пирамида чисел Пирамида биомассы Пирамиды энергии

Пирамида биомасс Она характеризует общую сухую массу живого вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органического вещества г/м 3 )

Пирамида чисел Отражает численность организмов на разных трофических уровнях (число особей /м 2 )

Пирамида энергии Показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях (Дж/м 2 *год)

Одной из наиболее важных характеристик экосистем является их биомасса – масса живых организмов, отнесенная к единице площади или объема. Например, при оценивании величины урожая сельскохозяйственных растений их биомассу измеряют в тоннах на гектар. В суммарной биомассе планеты наибольшую часть составляют наземные зеленые растения. Биомасса океана почти в тысячу раз меньше биомассы суши, причем масса водных животных и микроорганизмов резко преобладает над массой водорослей.

Динамика экосистем Подобно организмам и другим живым системам экосистемы реагируют на постоянно происходящие в среде изменения. Для устойчивого выполнения своей основной функции – поддержания круговорота веществ и потока энергии – экосистемы приобрели и все время совершенствуют специальные адаптивные механизмы, при помощи которых они подстраиваются к колебаниям экологических факторов. Таким образом, экосистема сама постоянно изменяется и в то же время поддерживает свои основные показатели, т.е. находится в состоянии динамического равновесия. Способность к самоподдержанию и саморегулированию получила название гомеостаз (о греч. Гомо- одинаковый, стас- состояние, неподвижность). До определенных пределов экосистема может «гасить» неблагоприятные воздействия таким образом, что её существование в целом не нарушается (или она достаточно быстро возвращается в состояние, близкое к исходному).

Периодические изменения в экосистеме. Всем экосистемам, так же как и более просто устроенным живым системам – отдельным организмам, - свойственны особые биоритмы, связанные с периодическими изменениями условий внешней среды. Суточные циклы экосистем не отражаются на составе и взаимосвязях видах. При чередовании дня и ночи происходит смена активности различных организмов, что в каждый конкретный момент времени определят облик экосистемы. Сезонные циклы сказываются на разнообразии видов, населяющих экосистему, и, следовательно, на движение вещества и энергии. Так, хорошо известные сезонные миграции птиц и копытных млекопитающих, сезонные изменения активности насекомых и зверей, впадающих в спячку. Закономерные колебания климата, происходящие при периодическом изменение активности Солнца и магнитного поля Земли, вызывают многолетние циклы в экосистемах.

Непериодические изменения в экосистеме. В экосистеме часто могут случаться незначительные случайные колебания флуктуации. Они, как правило, не влекут за собой существенных последствий для сообщества организмов, и спустя некоторое время экосисте­ма возвращается в прежнее состояние равновесия. Примером флуктуации в экосистеме являются колебания ее продуктивности в зависимости от погод­ных условий, которые определяют выживаемость консументов. Иногда в экосистеме происходят продолжительные направленные изменения, которые сопровождаются перестройкой в ее структуре и сменой состава видов. Закономерную последовательную смену сообществ на каком- либо участке среды, которая приводит к формированию устойчивого сообщества, называют сукцессией.

Первичные сукцессии Сукцессии (от лат. successio «преемственность», «наследование»), начинающиеся на неплодородном субстрате, называют первичными, или сукцессиями заселения, а образующиеся при этом сообщества носят название пионерных. Пионерные сообщества (от франц. pionnier «первопроходец») обычно состоят из неприхотливых видов, нетребовательных к составу и обилию пищевых ресурсов и условиям микроклимата, лишайников, водорослей, высших растений, способных быстро размножаться и расселяться. На скалах сначала поселяются накипные формы лишайников. На этой же стадии формируется сообщество из сопутствующих им микроскопических водорослей, простейших, круглых червей, некоторых насекомых и клещей, которые способствуют созданию первичной почвы. Позднее здесь поселяются другие формы лишайников и специализированные виды мхов. Еще позже (на возникшей примитивной почве) формируется сообщество высших растений. Параллельно идет обогащение животного населения.

Вторичные сукцессии Вторичными сукцессиями, или сукцессиями восстановления, называют закономерные смены сообществ на участках, уже измененных деятельностью живых организмов. Например, сукцессии восстановления можно наблюдать при заселении пожарищ, вырубок и т. д. В таежной зоне после нарушения растительного покрова в результате пожаров или рубки леса коренным образом меняются условия освещенности, температуры, влажности. Первыми здесь формируются сообщества светолюбивых трав. Позднее начинается восстановление леса: прорастают светолюбивые лиственные породы (береза, осина, ива), появляются кустарники. Одновременно формируется комплекс сопутствующих им животных: насекомых и других беспозвоночных, грызунов, птиц, рептилий. Эта стадия занимает в среднем 2-3 года, после чего подросшие деревья начинают вытеснять кустарники и светолюбивые травы. Сообщество приобретает вид молодого леса с несомкнутыми кронами.

Через лет от начала сукцессии биоценоз представляет собой развитый лиственный лес. Под древесным пологом в условиях затенения и повышенной влажности прорастают семена ели. Постепенно хвойный молодняк окончательно заглушает луговую растительность ее сменяют мхи и лесное разнотравье. Молодые ели затеняют старые лиственные деревья, а новые лиственные деревья почти не появляются. В конце концов сообщество возвращается к исходному состоянию ельнику.

Виды сукцессий В зависимости от причин, по кото­рым происходят смены сообществ, сукцессии делят на аллогенные (от греч. alios «другой» и Genes «рожденный», т. е. вызванные внешними факторами) и автогенные, или аутогенные (от греч. autys «сам» и Genes, т. е. вызванные внутренними факторами). Все сукцессии природных экосистем, вызванные антропогенными факторами, являются аллогенными: зарастание осушенного болота, восстановление луга после выпаса скота, зарастание террикона (отвала) на месте добычи полез­ных ископаемых и т. д. Смены сообществ при заселении неплодородного субстрата являются примерами автогенных сукцессии. В этом случае каждое следующее сообщество сменяет предыдущее по внутренним причинам: растения изменяют среду своего обитания и делают ее пригодной для других видов.

Сукцессию, при которой в сообществе происходят накопление органического вещества и изменения видового состава, характеризующиеся ранним и длительным преобладанием автотрофных организмов, называют автотрофной сукцессией. Особый тип изменений сообществ составляют деградационные сукцессии - они не завершаются конечным климаксом, вместо этого данная экосистема исчезает, примером чего могут служить разлагающиеся трупы животных и погибшие деревья.

Климакс Конечную стадию сукцессии называются климаксом (от греч. klimax «лестница»). Как правило, климаксные сообщества наиболее полно используют весь комплекс климатических, почвенных и других ресурсов, существующих в данной местности. Климакс считают относительно наиболее устойчивым состоянием растительного покрова в данном биогеоценозе. Примером климаксного сообщества влажных тропиков является дождевой лес. В южной тайге это ельники-черничники, ельники- зеленомошники и т. д. Обычно формирование зрелого климаксного сообщества занимает длительное время, и развивающееся сообщество часто «не успевает» полностью приспособиться к изменяющимся условиям. В таких случаях стадия его развития носит название субклимакс состояние, близкое к климаксному. Вариантов субклимакса, так же как и климакса, для одних и тех же условий может быть несколько. Экосистемы, как и отдельные организмы, способны поддерживать динамическое равновесие при определенных колебаниях интенсивности воздействующих на них факторов. Устойчивость экосистем зависит от их структуры и особенностей составляющих их популяций. Биоценозы экосистем сохраняют свои основные черты при суточных, сезонных изменениях и флуктуациях и практически полностью меняют свой облик в ходе сукцессии. Конечная стадия (климакс) наиболее полно соответствует комплексу условий данной территории.