Тема 4. Экология сообществ (синэкология)

Жизнь любого организма поддерживается благодаря связям с другими жи-вотными существами. Наиболее важное значение имеют пищевые или трофичес-кие (трофопитание) связи, благодаря которым осуществляется непрерывный ве-щественно-энергетический обмен между живым и неживым веществом природы. По способу питания все организмы подразделяются на: Автотрофы (сам) - осуществляют превращение неорганических веществ в органические (зелёные растения и микроорганизмы). Гетеротрофы (разный)- используют для питания готовые органические ве-щества (растения паразиты, грибы, микроорганизмы, животные, человек). Существуют организмы со смешанным липом питания - миксотрофы (сме-шивать). По механизму превращения неорганических веществ в органические выделяют: Фототрофы (фотосинтез) - зелёные растения, сине-зелёные водоросли и др. Хемотрофы (хемосинтез) - серные бактерии и др. Среди гетеротрофов выде-ляют три категории организмов: Некротрофы (мёртвый) убивают объект питания (человек, хищники). Биотрофы (живой) - питаются за счёт других животных организмов (парази-ты, кровососы и др.). Сапротрофы (гниль) - питаются отмершей органикой. Первые организмы на Земле были геротрофами. Они быстро исчерпали бы себя, если бы не появились автотрофы. При наличии этих групп организмов стал возможен примитивный круговорот веществ: автотрофы синтезируют органические вещества, а гетеротрофы их потребляют. При этом происходит расщепление орга-нических веществ. Если продукты расщепления вновь используются автотрофами, возникает круговорот веществ и энергии между организмами. Используя солнечную энергию и вещества из атмосферы, воды и почвы, растения синтезируют органические соединения. Эти соединения служат растениям строительным материалом, из которого они образуют свои ткани, и источником энергии, необходимой для поддержания своих функций. Для высвобождения запа-сенной ими химической энергии гетеротрофы разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты: оксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и др., завершая тем самым круговорот веществ. По отношению к трофическим (пищевым) связям организмы подраз-деляют на: продуценты (производители первичной продукции) - организмы - автотрофы – представляют комплекс зелёных растений, обеспечивающих органическим ве-ществом всё живое население нашей планеты. консументы (потребляю) – организмы гетеротрофы, потребляющие органи-ческие вещества, созданные продуцентами (животные, микроорганизмы, насе-комоядные растения). редуценты (восстановители) – организмы, разлагающие органические ве-щества и превращающие их в неорганические вещества, усваиваемые другими орга-низмами (бактерии, грибы, сапрофаги, копрофаги, некрофаги - питаются органичес-кими остатками и др.). Они являются завершающим звеном биологического круго-оборота веществ. Поток энергии в сообществе - это её переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи). Поток вещества - перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее через химические реакции, происходящие без участия живых организмов, вновь к продуцентам. Поток вещества происходит по замкнутому циклу, поэтому его называют круговоротом. Энергия передаётся от организма к организму, создающих пищевую или трофическую цепь. Пищевая цепь - перенос энергии, заключённой в растительной пище – пос-кольку лишь растения создают органическое вещество из неорганического – через ряд организмов в процессе их поедания друг другом. Например, растение – растительноядное насекомое – хищное насекомое – насекомоядная птица - хищная птица. Трофический уровень - это место каждого звена в пищевой цепи. Положение организма в пищевой цепи характеризуется его удалённостью от основного источника поступающей в сообщество энергии. Первый трофический уровень – продуценты. Второй – растительноядные консументы. Третий – плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами. Четвёртый – консументы, потребляющие других плотоядных и т.д. Пищевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетены. Они сос-тавляют так называемые пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей сос-тоит в следующем. Каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги (много). Поль-зуются не одним, а несколькими источниками питания. Пищевая цепь является основным каналом переноса энергии в сообществе. По мере удаления от первичного продуцента поток энергии резко ослабевает – ко-личество энергии уменьшается. Это объясняется рядом причин: 1) Перенос энер-гии с одного уровня на другой никогда не бывает полным, так как не вся энергия, содержащаяся в пище, бывает доступна хищнику. Часть энергии теряется в про-цессе преобразования тканей жертвы в ткани хищника (при поедании её хищ-ником), а часть вообще не усваивается организмом хищника и выводится из него с экскрементами. 2) Устойчивые взаимосвязи между хищниками и жертвами не поз-воляют первым полностью выедать популяции, за счёт которых они существуют. Эффективность переноса энергии от жертвы к хищнику ослаблена выработанной тактикой избегания хищника. 3) Много энергии, полученной с пищей, тратится на работу, которую выполняет животное, перемещаясь, охотясь, строя гнездо, в результате которой происходит выделение тепла. Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на другой определяет число этих уровней и соотношение хищников и жертв, поэтому число трофических уровней редко превышает три-четыре. В результате взаимодействия в пищевых цепях при пере-носе энергии каждое сообщество приобретает определённую трофическую струк-туру - определяется количеством энергии, фиксируемой на единицу площади в единицу времени на последовательных трофимических уровнях. Она изображается графически в виде экологических пирамид, основанием которых служит первый уровень, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Данное явление было изучено Ч. Элтаном в 1927 г. Различают три типа пирамид. t Пирамида чисел (число особей на м2)отражает численность организмов на разных трофических уровнях. В случае пастбищных пищевых цепей леса, когда продуцентом служит дерево, а первичными консументами - насекомые, уровень первичных консументов численно богаче особями уровня продуцентов в этом случае пирамиду чисел называют обращённой. t Пирамида биомасс - характеризует общую сухую массу живого вещества на разных трофических уровнях (сухая масса органических веществ г/м2). В экосистемах с очень мелкими продуцентами и крупными консументами общая масса последних может быть в любой момент выше общей массы проду-центов т.е. пирамида биомасс тоже может быть обращённой t Пирамида энергий (Дж/м2 год) показывает величину энергетического пото-ка или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях. Энерге-тическая пирамида всегда сужается к верху при условии, что учтены все источники энергий поступающей в систему с пищей. Из трёх типов экологических пирамид, пирамида энергий даёт нам наиболее полное представление о функциональной организации сообщества. Число и масса организмов, которых может поддерживать какой-либо трофический уровень в тех или иных условиях, зависит не от количества фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. В противоположность пирамидам чисел и биомасс, отражающим статистику системы, пирамида энергий отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь. На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и, если учтены все источники энергии, пирамида всегда имеет правильную форму в соответствии со вторым законом термодинамики. Построение пирамиды чисел и пирамиды биомасс без пирамиды энергий может привести к неверной оценке функциональной роли популяций, сильно раз-личающихся интенсивностью метаболизма, т.е. размерами особей. Данные по чис-ленности приводят к переоценке значения мелких организмов, а данные по био-массе - к переоценке роли крупных организмов. Размеры и сложность системы лимитируются затратами энергий на самоподдержание. Рост систем прекращается, если расход энергии на самоподдержание становится равным её поступлению. Количество биомассы, которое может поддерживаться в условиях такого равно-весия, называется максимальной поддерживающей ёмкостью среды. Считается, что оптимально поддерживающая ёмкость, способная противостоять изменениям окру-жающей среды, ниже теоретически максимальной в 2 раза. Например, оптимально поддерживающая ёмкость Земли находится в пределах 8,5 - 13.5 млрд. человек. Возвращаясь к пирамиде энергии, можно дать определение очень важному закону пирамиды энергий, согласно которому с одного трофического уровня экологичес-кой пирамиды на другой переходит не более 10% энергии. Этот закон сформулирован в 1942 г. Р. Линдеманом. Его следствием является ограниченная длина пищевых цепей. Из закона вытекает, что максимальный переход с одного трофического уровня на другой порядка 10% энергии не ведёт к пагубным для экосистемы последствиям. Исследование правила 10% позволяет определять возможный и безопасный объём промысла особей.