Реферат: Биотические факторы среды и экосистемы
Разделены зоны добычи насекомых у видов американских славок — мелких птичек. Охотясь в кронах деревьев, один вид ловит насекомых в верхушках, другой — в середине кроны, третий — ниже, и т.д. Двенадцать видов галапагосских вьюрков питаются различной пищей: орехами, гусеницами, жуками и т.д. Копытные африканских саванн также занимают различные экологические ниши: зебры поедают самые верхушки трав, антилопы гну щиплют то, что осталось от зебр, газели дощипывают самые нижние листочки, а антилопы топи доедают голые стебли.
Три вида полевых злаков — райграс, костер и лисохвост, — произрастая по отдельности, предпочитают один и тот же уровень стояния грунтовых вод. При смешении этих видов райграс, как наиболее конкурентоспособный, вытесняет костер на сухие почвы, а лисохвост — на влажные.
Между видами может существовать несколько типов взаимоотношений. Мальки леща и лосося конкурируют за пищевые ресурсы, а взрослые лососи — хищники, поедающие молодь леща.
Хищничество — один из самых распространенных типов взаимоотношений. Взаимодействие хищник-жертва выступает одним из главных факторов саморегуляции биоценозов.
Размножение растительноядных зверьков — зайцев, грызунов, белок — обычно зависит от урожая кормов. За увеличением их численности следует интенсивное размножение хищников — лис, волков, рысей. Сокращение количества жертв снижает и количество хищников. Падение численности жертв обусловлено как подрывом кормовой базы, так и поеданием хищниками. Если хищники питаются каким-то одним видом, то их численность сокращается с выеданием жертв. В тех случаях, когда хищник не имеет других источников пищи, некоторые популяции жертв могут оказаться полностью уничтоженными.
Отсутствие хищников также может оказаться неблагоприятным для жертв. Их бесконтрольное размножение сопровождается съеданием всего запаса кормов, и тогда голод катастрофически сокращает численность популяций жертв интенсивнее любых хищников. Чрезмерное размножение животных ограничивают также эпидемии, возникающие в многочисленных популяциях (болезнь легко передается другим особям).
История знает немало случаев, когда полное уничтожение хищников приводило к экологическим катастрофам. Например, массовое уничтожение хищных птиц в некоторых регионах привело к размножению змей, охотящихся на лягушек, поедавших саранчу. Численность насекомых бесконтрольно увеличивалась, они уничтожали растительность и посевы сельскохозяйственных культур на огромных территориях. К аналогичным результатам привела и "война" с воробьями в Китае.
Сокращение численности вида позволяет оставшимся особям развиваться успешнее прежнего, а видовой состав биоценоза может даже стать более разнообразным. Так, морские звезды питаются мидиями, улитками, моллюсками-хитонами, морскими желудями, иногда они уничтожают обширные поселения коралловых полипов. В отсутствие морских звезд мидии способны захватить все свободное пространство и выесть практически все виды водорослей. Чем беднее видами сообщество, тем выше может быть численность отдельного вида (правило Тинеманна). Обедняя биоценозы, мы рискуем вызвать всплеск размножения какого-либо вида, оставшегося без врагов и конкурентов.
В современном мире хищничество мы наблюдаем повсюду. Лягушки, пожирая птенцов, сильно препятствуют разведению водоплавающих птиц. Змеи поедают лягушек, птиц и их яйца, опустошая гнезда на земле и на деревьях. Электрические угри парализуют жертв (рыб, лягушек, крабов) в радиусе 3-6 м импульсом электрического тока, им остается лишь подплыть и проглотить. Медузы секретом клеток стрекательных желез парализуют любые организмы, попавшие в зону щупалец, достигающих 20-30 м. Другой хищник — божья коровка — съедает ежедневно до 350 тлей. Обитатели одного крупного муравейника поедают в день до 100 тыс. личинок елового пилильщика, до 12 тыс. личинок бабочек серой лиственничной листовертки. Всего 5-8 муравейников успешно защищают гектар леса от повреждения этими вредителями.
Во избежание полного уничтожения существа снабжены защитными приспособлениями: панцирем и шипами, покровительственной и предостерегающей окраской, маскировкой, мимикрией. У мельчайших животных водных коловраток и дафний в ответ на присутствие в воде продуктов обмена хищных видов вырастают шипы. Если хищники отсутствуют, шипы не появляются.
Стадные животные и стайные птицы наделены способностями совместных действий против хищников. Скворцы при появлении сокола сбиваются в плотную кучу, и хищник не рискует атаковать, боясь получить увечья. Крупные копытные при появлении хищников становятся в круг, молодь и самки прячутся внутрь. Аналогично поступают павианы при нападении леопардов. Хищники в таких случаях предпочитают ограничиться отбившимися от стада больными или старыми ослабленными животными. Санитария биоценозов — еще одна немаловажная функция хищников.
Хищничество распространено не только среди животных. Некоторые растения, произрастающие на бедных азотом почвах, способны ловить насекомых. Листики венериной мухоловки образуют прочные створки, снабженные жесткими ресничками. Как только насекомое коснется чувствительных волосков, створки закрываются. Тягучая слизь, покрывающая верхнюю сторону листиков росянки, удерживает насекомых — мух и муравьев. Листочек постепенно изгибается, оборачивая насекомое. Слизь содержит и ферменты, переваривающие добычу.
Грибница хищных грибов выделяет вещество, привлекающее червей, она образует ловчие петли, быстро набухающие при вползании червя и зажимающие его, или клейкие сети, способные уловить даже круглых червей (длиной до 1 см), значительно превосходящих грибы по размеру. Всего за сутки грибница прорастает внутрь червя и заполняет его тело. Когда черви отсутствуют, грибы не плетут сетей. Включение соответствующих генов происходит у них при наличии в среде продуктов жизнедеятельности червей.
Рассмотренные типы позитивных и негативных отношений характерны в наше время для всех царств живой природы.
Экосистемы
Виды животных и растений образуют взаимосвязанные комплексы — природные сообщества. Большие сообщества включают в себя меньшие. Так, в сообщество степей входят сообщества микроорганизмов, растений, беспозвоночных и позвоночных животных.
Каждый биоценоз определяется прежде всего растительностью. Тропические леса, тайга, степи и пустыни имеют свойственные им растительные сообщества. Тропические леса отличаются от тайги не только древостоем, но и подлеском, и травяным покровом. В каждом растительном сообществе обитают свойственные ему сообщества животных, грибов и микроорганизмов, получающие вещество и энергию от растительности, а также из окружающей среды (солнца, воздуха, воды и почвы). Потоки вещества и энергии связывают сообщества между собой и с окружающей средой в неразрывное единство — экосистему. Теория экосистем разработана в начале 1940-х годов академиком В. Н. Сукачевым (в его трудах использован термин биогеоценоз).
По характеру питания и получения энергии все экосистемы подразделяются на три функциональные группы (состоящие из множества популяций): продуценты, консументы и редуценты.
В первую группу продуцентов (лат. producens производящий) входят производители органических веществ из неорганики. Это автотрофы: фотосинтезирующие растения и бактерии, использующие солнечную энергию, а также хемосинтезирующие бактерии, использующие химическую энергию.
Продуценты являются источником органики и энергии для консументов (лат. consumо потребитель). Растительноядных животных называют первичными консументами, паразитов и хищников, потребляющих растительноядных и друг друга — вторичными и третичными консументами.
Замыкающей группой пищевых цепей являются редуценты (лат. reducere возвращать), перерабатывающие остатки органического вещества всех групп (растительный опад, трупы, экскременты). К редуцентам относятся самые разнообразные организмы от птиц и млекопитающих, поедающих падаль, до трупоядных насекомых и гнилостных бактерий. В почвах степных экосистем минерализация органики происходит достаточно интенсивно, и органические остатки не накапливаются на поверхности. В болотных биоценозах вследствие затрудненной деятельности редуцентов преобладает накопление органической массы.
Окончательная переработка органики осуществляется редуцентами-деструкторами, разлагающими органику на неорганические молекулы (воду, углекислый газ, аммиак и другие минеральные вещества), которые вновь используются растениями. Одни из самых важных деструкторов — грибы — разлагают даже такие компоненты древесины, которые не поддаются бактериям. Без них лес был бы завален отмирающими стволами.
Только совместная жизнедеятельность продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает существование экосистемы. Без зеленых растений не могут обойтись животные, отсутствие растительноядных делает невозможным существование хищников. Без редуцентов экосистемы заполнились бы мертвой органикой, а запасы минеральных веществ быстро бы иссякли. В тропических лесах все доступные минеральные вещества почв потребляются растениями, но их недостатка не ощущается — редуценты быстро разлагают опад. Минеральная часть образующихся веществ вновь поглощается растениями.
Простейший пример экосистемы — лишайник. Роль продуцентов выполняют водоросли, осуществляющие фотосинтез. Грибница выступает консументом, питающимся продуктами фотосинтеза, а бактерии и простейшие — редуцентами.
Большинство видов питаются несколькими другими, и сами служат пищей многим членам экосистемы. Хищные птицы ловят мышей, зайцев, змей, лягушек и ящериц. Змеи охотятся на мышей, лягушек и мелких птиц. Медведи — хищники, но употребляют мед, растительную пищу и падаль. Питаются плодами и лисы. Цепи питания переплетены в сложные сети, выпадение одного из звеньев, как правило, не нарушает равновесия. Чем большее количество видов составляет биоценоз, тем он устойчивее. Если, например, из цепи питания растения--зайцы--лисы выпадут по каким-либо причинам зайцы, то в богатом биоценозе лисы могут охотиться на мышей и птиц.
В особую группу выделяют детритные пищевые цепи, они начинаются не с живых растений, а с мертвого детрита. Например, опад листьев служит пищей дождевым червям, а их экскрементами питаются грибы и бактерии.
Даже небольшие с виду нарушения в пищевых цепях могут приводить к тяжелым последствиям. Жители одного из островов Индонезии решили избавиться от москитов и протравили помещения ДДТ, умершими москитами отравились ящерицы. Ядовитыми ящерицами отравились кошки. Расплодившиеся крысы вызвали вспышку чумы. Большая партия привезенных кошек улучшила положение, но к тому времени стали рушиться дома — после исчезновения ящериц размножились термиты и подточили балки строений.
Первичным источником энергии для круговорота веществ в экосистемах служит солнечный свет. При этом атомы и молекулы могут использоваться многократно, а энергия света должна постоянно поступать от Солнца. Энергия солнечных фотонов в процессе жизнедеятельности экосистемы рассеивается в виде тепла и, согласно второму началу термодинамики, не может быть использована в системе заново (как не может вновь нагреться остывший стакан чая).
Интенсивность фотосинтеза варьирует в широких пределах. Она особенно высока (15-25%) у водорослей, растений, обитающих близ пределов существования растительности — на Крайнем Севере и в горах, а также при малой освещенности мест обитания. Значителен КПД использования света у культурных сортов: у картофеля 5%, свеклы 8%, ячменя 13,5%. В естественных условиях растения усваивают в среднем около 1% солнечной энергии, 90% которой тратят на поддержание жизнедеятельности (в основном на процессы дыхания — биологического окисления) и лишь 10% — на увеличение биомассы. Растительноядные животные на собственный рост и размножение тратят всего около 10% потребляемой энергии. Поедающие их хищники расходуют на увеличение биомассы также около 10% полученной энергии. На каждый следующий уровень переходит около 10% биомассы и энергии, поэтому зеленая биомасса растений способна обеспечить питанием пищевую цепь не более 3-5 уровней, например: растения--кузнечики--лягушки--змеи--совы, водоросли--рачки--салака--треска--тюлень.
Вместе с веществом через экосистему проходит поток энергии, заключенной в его химических связях. Относительное количество передаваемых на каждый следующий трофический уровень веществ и энергии изображают в виде экологической пищевой пирамиды. Согласно правилу пирамиды, 1 т растений кормит 100 кг травоядных животных, 10 кг вторичных консументов и только 1 кг третичных. Для построения 1 кг тела человека требуется 10 кг трески, потребившей 100 кг мелких рыб, съевших 1 т зоопланктона (рачков, инфузорий и пр.), усвоившего 10 т фитопланктона (мелкие водоросли, бактерии). В таких количествах планктон потребляют только усатые киты.