Биологические процессы на высоких уровнях организации

Биоценотический уровень

(экосистемы)

Взаимодействие видов

• В своём существовании многие особи не могут обходиться без других особей.

• Простейшим примером являются цветковые растения. Для реализации перекрёстного опыления им нужны другие особи того же самого вида.

• В природе, однако, распространены ситуации активного жизненного взаимодействия разных видов (см. рис. справа).

Терминологические пояснения

• Взаимодействие в сосуществовании нескольких видов получило название симбиоз.

• В природе известно множество форм симбиоза.• Бывает симбиоз взаимовыгодный обоим особям. В этом случае

принято говорить о мутализме.• Во многих случаях симбиоз оказывается безразличным для

особей одного вида и полезным для особей другого вида.• Широко известен симбиоз, когда особи одного вида существуют

за счёт особей другого вида. Это так называемый паразитизм.• Известно много случаев симбиоза в мире бактерий и вирусов,

когда они существуют в клетках других организмов.• Имеются случаи, когда «сложные» ядерные клетки эукариот

возникают путём симбиоза хищными клетками прокариот. Это так называемый эндосимбиоз.

Важнейшие примеры взаимодействия организмов (симбиоза)

• Приведём несколько примеров симбиоза:• Опыление цветковых растений насекомыми.• Транспортировка семян растений животными, которые их

поедают и затем выделяют с испражнениями.• Лишайники – это сочетание гриба и водоросли.• Муравьи защищают и «пасут» тлей, а сами питаются их

выделениями, содержащими сахар.• Многие грибы получают питание от деревьев, а сами

снабжают их водой и минеральными веществами.• Эти примеры легко умножить.• Отметим ещё, что в природе наблюдаются все возможные

переходные ступени между различными видами паразитизма и полным слиянием организмов.

Несколько наглядных примеров симбиоза

• На приведённом рисунке изображены разные виды симбиоза от бактерий в кишечнике до хорошо известного примера актинии на раке-отшельнике (6).

Роль симбиоза в эволюции

• Эволюция даёт решающие шансы наиболее приспособленным организмам.

• При симбиозе приспособление к условиям окружающей среды достигается не путем последовательных скачков,

а путём продуктивного сочетания свойств разных организмов.

• Это приносит быструю и решительную выгоду.

Экосистемы

• Развитие отдельных организмов идёт на онтогенетическом уровне. Этот уровень индивидуален.

• Напомним, что популяции – это совокупность популяций.• В отличие от онтогенетического уровня, который

индивидуален, уровень популяций уже надиндивидуален.• Популяции являются генетически открытми системами, так

как особи одного вида из разных популяций иногда скрещиваются.

• Как было сказано (см. предыдущие слайды) популяции разных видов взаимодействуют между собой.

• Совокупность совместно обитающих растений, животных, грибов и т.д. На одном участке среды называется биоценозом.

Примеры взаимодействий в больших экосистемах

Ещё немного о биоценозе

• Примеры биоценозов даны на двух рисунках справа.

• Биоценоз – это сообщество разных видов, совместно проживающих на одной территории.

• Этот термин был введён в 70-х годах XX века немецким учёным Мебиусом, который изучал поселения устриц в Северном море.

Сложная роль ряда организмов в биоценозах

• Этот паучок питается насекомыми живущими на суше и в воде.

• Таким образом он осуществляет связь (регулировку численности видов) между двумя средами – сушей и водой, которые входят в состав биоценоза

Ещё один пример сложных связей

• Гиппопотам питается травой на суше.

• Он её плохо переваривает.• Навоз гиппопотама

попадает в воду и обеспечивает органической пищей ряд мелких видов, которые живут в водоёме.

Основные характеристики биоценоза

• Биоценоз является открытой системой.• Биоценоз является многовидовым сообществом, в то

время как популяция – это одновидовое сообщество.• Важнейшим свойством биоценоза является взаимная

приспособленность его членов.• Именно взаимодействие различных видов – участников

биоценоза – сам биоценоз существует, как достаточно устойчивая система.

• Живая природа биоценоза взаимодействует с неживой природой – газами воздуха, минералами и т.д.

• Совокупность биоценоза и частей неживой природы в соответствии с определениями акад. Сукачёва, часто называют биогеоценозом.

Разделение ролей в биоценозе

• Среди видов, включённых в биоценоз, можно выделить три основные группы.

• Первая группа – это продуценты. Это, прежде всего, растения. Они за счёт энергии солнечного излучения создают всё многообразие органического вещества в экосистеме. Их называют фотосинтетиками.

• К продуцентам относятся и некоторые виды бактерий, которые производят органическое вещество без участия солнечной энергии, а за счёт химических реакций. Их называют хемосинтетиками.

• Животный мир и многие паразитические бактерии потребляют органическое вещество, созданное продуцентами. Их называют консументами.

• Третья группа организмов разлагает отмирающие тела и возвращает их обратно растениям. Это редуценты.

Несколько определений

• Продуценты, создающие органические вещества из неорганических, являются автотрофными организмами.

• Консументы, то есть потребители органики, являются гетеротрофными организмами.

• Наконец, редуценты, то есть восстановители, питаются разлагающимися остатками организмов. Их называют ещё сапрофагами.

• И сапрофаги и не паразитирующие гетеротрофные организмы способствуют минерализации органических веществ. Это позволяет снова использовать эти остатки для освоения их продуцентами.

Обмен веществом и энергией в биоценозе

Численные уточнения

• Проведем некоторые уточнения.• 1% солнечной энергии, поступающей на Землю, тратится на

обеспечение жизни.• Это относительно небольшое количество энергии тратится

на фотосинтез.• В то же время приблизительно половина этой энергии

уходит на дыхание.• Только оставшаяся часть энергии используется

организмами более высоких уровней для своей жизнедеятельности.

• Значит поток энергии/ входя в систему биоценозов, частично возвращается обратно.

• Именно по этой причине биоценозы являются открытой системой.

Потоки вещества и энергии в биоценозе

Уровни консументов

• Консументы органического вещества не создают, а потре- бляют то вещество, которое создано продуцентами.

• Распределение видов консументов в биоценозе представляет из себя пирамиду. Ступени этой пирамиды называются уровнями.

• Первый уровень – это растительноядные животные.• Второй уровень – это хищники, поедающие травоядных

животных.• Пример консументов третьего уровня – это насекомые,

питающиеся кровью хищников.• В крови и желудке этих насекомых есть бактерии и другие

виды жизни. Это четвёртый уровень консументов. • Биоценозы с количеством уровнем консументов более

пяти нам не известны.

Схематизированное распределение организмов в биоценозе в виде пирамиды уровней

• Продуценты и консументы в биоценозе образуют пирамиду. Эта пирамида отражает численность особей на каждом её уровне.

• Схема пирамиды условна в том смысле, что реальные числовые значения при её построении не использованы.

Обмен веществ в биоценозе

Энергетические потоки внутри экосистемы

• Через любую экосистему проходит поток энергии.• Энергия всех зкосистем нашей планеты даётся Солнцем. .

Экосистемы потребляют около 1% всей солнечной энергии.

• Энергия Солнца через цепи питания возвращается обратно и рассеивается. Таким образом в экосистемах совершается кругооборот энергии.

• В отличие от кругооборота неорганических веществ кругооборот энергии не является замкнутым.

• Обязательность частичного рассеяния энергии следует из базовых законов физики, о чём часто забывают.

• Особенность взаимодействия организмов в экосистеме состоит в том, что кругообороты энергии в экосистемах экономичны, то есть потери энергии сведены к минимуму.

Потоки энергии в биоценозеп

Об энергетическом балансе в экосистемах

• Если бы количество энергии в экосистеме было равно количеству получаемой энергии, то мы бы имели систему с нулевым балансом. Это не возможно.

• Куда исчезает часть энергии? Она накапливается в виде прироста биомассы и в виде отложения остатков жизни (опавшие листья, осадки на дне водоёмов).

• Особо большие накопления биомассы происходят в искусственных экосистемах, например в сельскохозяйственных угодьях.

• Взаимоотношения в экосистемах можно представить себе в виде пищевых цепей. Их называют трофическими цепями.

• При переходе на новый уровень обычно рассеивается до 90% накопленной биомассы.

Пример трофической цепи в лесу Карелии

• Листья и семена деревьев обеспечивают пищей другие организмы.

• Так семенами ели питаются многие птицы, мыши и другие мелкие животные.

• На мышей охотятся крупные птицы и хищные звери.

Пирамида биомасс

• Как следует из предыдущего слайда, при движении вверх от уровня к уровню количество биомассы на уровне существенно уменьшается.

• Так примерно 1000 кг фитопланктона обеспечивают существование 100 кг. зоопланктона. Эти 100 кг. зоопланктона обеспечивают питанием 10 кг. рыбьей молоди. В свою очередь эта рыбья молодь может поддержать существование 1 кг. хищного окуня.

• Эти соотношения можно представить в виде пирамиды. В отличие от приводившейся ранее пирамиды численности особей, это будет пирамида биомасс.

Ещё один пример пирамиды численности(Северные моря)

Пирамида биомассы

• Пирамида биомассы может испытывать сезонные изменения.

• В умеренных широтах зимой растительности нет и пирамида принимает «обращённый вид».

• Внешний вид этих пирамид приводит к тому, что их иногда называют биологическими волчками

Ещё один пример пирамиды биомасс

• Точно также, как и в предыдущем случае, на рисунке , приведены прямая и обращённая пирамиды биомассы.

• При построении пирамид для удобства рассмотрения по вертикальной оси откладывались не количества биомассы на разных уровнях, а их логарифмы.

• Преимущества логарифми-ческой шкалы мы уже обсуждали ранее.

Ещё немного об отклонениях от стандартного вида пирамиды биомасс

• Отклонения от идеального вида пирамид биомасс и численности могут быть связаны не только с сезонными явлениями в природе.

• Сравним тропический лес и саванну.• В лесу огромное количество растительной биомассы,

которая легко усваивается консументами первого уровня• Поэтому в тропическом лесу вид пирамид обычный.• В саванне с её засушливым климатом зелёной массы

меньше, она жёсткая и плохо усвояемая.• Поэтому количество консументов первого уровня, которые

способны утилизировать всю биомассу должно быть относительно большим.

• Это меняет количество живых организмов на первом уровне консументов.

О количестве видов в биоценозе.

• Поверхность нашей планеты крайне неоднородна. Поэтому каждый биоценоз занимает ограниченную площадь.

• Это может быть пруд, озеро, часть моря, лес и т.д.• В каждом биоценозе обитает много видов живых

организмов.• Их число оказывается связанным с площадью. Которую

занимает тот или иной биоценоз.• Грубо говоря, чем больше площадь, занимаемая

биоценозом, тем больше видов одновременно сосуществуют в нём.

• Связь между числом видов в биоценозе заданной площади и величиной этой площади даётся эмпирической формулой, которая приведена на следующем слайде.

Количество видов в биоценозе

• Обозначим через N общее количество видов в биоценозе.• Через S обозначим площадь биоценоза.• Тогда:

• Здесь n коэффициент, меняющийся в пределах от 0,1 до 0,3

• Величина k – числовой коэффициент. Он имеет смысл количества видов, которые прходятся на единицу площади (например один квадратный метр) биоценоза.

Некоторые выводы из предыдущей формулы.

• Рассмотрим два биоценоза, размеры площадей которых отличаются в 2 раза.

• Пользуясь предыдущей формулой, мы находим, что количество видов, которые могут сосуществовать на меньшей площади в самых лучших условиях достигает только 23% от числа видов на большей площади.

• Таким образом несколько клочков девственной природы небольшой площади могут поддержать существование намного меньшего числа видов, чем на одном большом участке.

• Этот вывод очень важен для создания зон рекреаций, садов, парков и заповедных территорий.

Об увеличении площади биоценоза и числа видов, проживающих на ней.

• Увеличение числа видов в обычных условиях может рассматриваться в качестве положительного фактора.

• При этом возрастает количество связей и со временем биологическая система начинает переходить на новый качественный уровень.

• Возрастание числа связей влияет на такое важное свойство системы, как её устойчивость.

• Сложная структура может резко отреагировать на нарушения только в одной небольшой цепочке связей.

• Это свойство любой большой системы, не только биологической.

• Таким образом положительное влияние увеличения числа видов имеет принципиальные ограничения. Более правильно говорить об оптимальном количестве видов на той или иной площади.

Закон максимума биогенной энергии

• Любой биологический вид приспосабливается к внешним условиям, то есть к среде обитания.

• В свою очередь наличие того или иного биологического вида тоже оказывает воздействие на окружающую среду.

• Эта закономерность отражена в законе максимума биогенной энергии (энтропии) Вернадского-Бауэра.

• Этот закон гласит: Любая биологическая система, находясь в подвижном

взаимодействии с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивает своё давление на среду. Это давление возрастает до тех пор, пока оно не будет ограничено внешними факторами. Такими факторами могут быть надсистемные факторы или же наличие конкурентных систем.

Об оптимальной численности вида

• Не только число видов меняется от внешних условий.

• Численность особей каждого из видов также определяется внешними факторами.

• Некая усреднённая зависимость этой численности в зависимости от ведичины внешнего фактора приведена на этом рисунке.

Закон неоднозначного действия внешнего фактора на организм

• Схема воздействия внешнего фактора на биологический вид, приводившаяся на предыдущем слайде, дана в идеализированном виде.

• На самом деле воздействие одного и того же фактора на вид не вполне однозначно.

• Тут свою роль может сыграть влияние других факторов (синергетический эффект).

• Это положение отражается в законе о неоднозначности действия факторов на организм.

Относительная компенсация влияния разных факторов на численность вида

• Сложность проблемы оптимальной численности вида состоит в том, что оптимальная численность, определяемая действием одного из факторов (см. ранее) может не совпадать с оптимальной численностью, которая связана с наличием другого фактора.

• Так например, оптимальные температуры для процессов дыхания и фотосинтеза различаются между собой.

• Это отражается в законе об относительной компенсации (взаимозаменяемости) действия разных факторов.

Общая численность вида в зависимости от плотности особей, то есть от их числа на единицу площади.

• В зависимости от плотности численность вида может меняться по разному.

• Кривая I – это наиболее распространённый вид зависимости.

• Кривая II встречается реже. Это постоянство численности, а затем резкое падение. Характерно для леммингов.

• Кривая III – наличие оптимальной численности

Ненасыщенный биоценеоз

• В силу разных причин могут возникать биоценозы с обеднённым набором популяций.

• В такие биоценозы могут беспрепятственно проникать особи посторонних организмов.

• Такие биоценозы называют ненасыщенными биоценозами.• Проникновение в ненасыщенный биоценоз новых видов

меняет условия биологического равновесия в нём и в принципе создаёт новый, уже насыщенный, биоценоз.

• Человек в своей сельскохозяйственной деятельности уничтожает вредителей и сорняки. Тем самым они превращает агроценозы в ненасыщенные биоценозы.

• Без поддержки человека агроценозы в устойчивом состоянии существовать не могут.

Видовой состав в закрытых биологических системах

• Биологические системы открыты. • Поэтому виды из одной системы могут попадать в другие.• В вою очередь в каждую систему может поступать

некоторое количество видов из других систем.• В то же время очень интересно изучить полностью

изолированную биологическую систему.• В 2006 году в Израиле во время строительных работ свая

неожиданно пробила отверстие в потолке пещеры, которая была изолирована от мира тысячи лет.

• В этой пещере сложился своеобразный биоценоз.• Вход в пещеру срочно заделали, строительные работы

прекратили.• Пещера будет находиться под постоянным наблюдением.

Один из видов фауны израильской пещеры

• Число видов организмов в пещере было небольшим из-за ограниченности объема водного пространства.

• Все животные были слепыми и не имели пигментации.

• Известковый скелет характерен для этих живых существ.

• На рисунке приведён снимок одного из живых существ этой пещеры.

Влияние деятельности человека на структуру биоценозов.

• Деятельность человека сказывается на биоценозах.

• Воздействие происходит разными путями.

• Во-первых, идёт истребления некоторых видов.

• Во-вторых происходит селекция и отбор новых видов.

• Сельское хозяйство активно влияет на биоценозы.

Открытые системы, как результат деятельности человека

• Насаживая сады, обрабатывая поля и т.д. Человек поддерживает одни виды в ущерб другим.

• Так например, прополка сорняков уменьшает видовое разнообразие поля.

• Если человек прекращает свою деятельность, то поле и сад дичают.

• Туда проникают сорняки, появляются жуки и гусеницы вредители.

• В то же время ряд окультуриваемых видов выходит наружу.

• Поэтому сельскохозяйственные системы – это пример открытых биоценозов.

• Их иногда называют агроценозами.

Ещё раз о влиянии человеческой деятельности на биологическую жизнь нашей планеты

• Промышленная деятельность человека оказывает ещё большее воздействие на биологическую среду обитания, чем сельскохозяйственная деятельность.

• Этой проблеме посвящено много книг и выступлений по телевидению.

• Мы далее будем говорить только о влиянии сельскохозяйственной деятельности.

Удобрения и химикаты в природной среде

• Человек в своей деятельности широко использует различные химикаты.

• Они поступают в окружающую среду и накапливаются в ней.

• Переходя с уровня на уровень в биоценозах химикаты образуют обратную пирамиду.

• Справа изображена такая пирамида для ДДТ.

Заключительные замечания

• Изучение влияния человеческой деятельности на природу выходят за пределы тематики наших лекций.

• По этой причине на рассмотренном выше слайде мы заканчиваем эту тему.

• Далее мы коротко рассмотрим вопросы о биосфере и ноосфере.