Потоки вещества и энергии, динамика экосистем

1. Лекция ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ, ДИНАМИКА ЭКОСИСТЕМ

Паринова Т.А.
1

2. 1. Устойчивость биоценозов

Правило
взаимоприспособленности
(К. Мебиус и Г.Ф. Морозов):
виды в биоценозе приспособлены
друг к другу настолько,
что их сообщество составляет
внутреннее противоречивое,
но единое и взаимно увязанное целое
2

3.

Иначе говоря, в природных биоценозах не
существует полезных и вредных птиц,
насекомых, растений и т.д.; там все (и даже
хищники типа волка) служат друг другу и
взаимно приспособлены
3

4. Если один вид вытеснит другой, то существенных изменений в биоценозе не произойдет, особенно если этот вид не относится к числу

массовых
Куница
Соболь
4

5. Если из состава биоценоза выпадают основные виды-средообразователи, это ведет к разрушению всей системы и смене сообществ.

Очень часто
причиной этому служит человек
5

6. 2. Принципы функционирования экосистем

• Первый принцип: получение ресурсов и
избавление от отходов происходит в
рамках круговорота всех элементов
• Совпадает с законом сохранения массы, т.к.
атомы не возникают, не исчезают и не
превращаются один в другой, они могут
использоваться бесконечно в самых
различных химических соединениях и запас
их практически не ограничен
6

7.

• Второй принцип: Экосистемы
существуют за счет солнечной
энергии, количество которой
относительно постоянно и
избыточно
• Существование экосистем и жизни на
Земле обусловлено постоянным
круговоротом веществ. Каждый цикл
круговорота сопровождается потерями
энергии и поэтому необходим
постоянный приток солнечной энергии
7

8. 3. Потоки вещества и энергии в экосистеме

• Поток вещества – перемещение
вещества в форме химических
элементов и их соединений от
продуцентов к редуцентам (через
консументы или без них)
8

9.

• Поток энергии – переход энергии в
виде химических связей органических
соединений (пищи) по цепям питания
от одного трофического уровня к
другому (более высокому)
• При этом вещества могут вновь
участвовать в круговороте, а энергия
может быть использована только один
раз
9

10.

П
О
Т
О
К
Э
Н
Е
Р
Г
И
И
Ч
Е
Р
Е
З
Л
И
С
Т
В
Е
Н
Н
Ы
Й
Л
Е
С
10

11. Односторонний поток энергии – универсальное явление природы – обусловлен действием законов термодинамики:

• 1-й закон термодинамики: энергия может
переходить из одной формы (энергии света)
в другую (энергию химических связей), но
никогда не создается вновь и не исчезает
бесследно
• 2-й закон термодинамики: Энергия при
превращении из одной формы в другую, т.е.
при совершении работы, частично переходит
в тепловую форму и рассеивается в
окружающей среде
11

12. 4. Биологическая продуктивность экосистем

• Биомасса – масса тела живых организмов
• Биологическая продукция – скорость
создания органического вещества в
экосистемах, т.е. биомассы
• Первичная продукция – органическая
масса, создаваемая растениями за единицу
времени
• Вторичная продукция – продукция
животных и других консументов
12

13. Может ли вторичная продукция быть больше первичной?

13

14. Примеры продуктивности разных экосистем (в гр. сухого вещества на 1м2 площади за сутки):

• 1 гр – пустыни, глубокие моря
• 1-3 гр – луга, горные леса, пашни,
мелкие моря, глубокие озера
• 3-10 гр – степи, мелкие озера, леса
умеренной полосы
• 10-25 гр – тропические леса,
коралловые рифы
14

15. Всем экосистемам отвечают определенные соотношения первичной и вторичной продукции

• Правило пирамиды продукции: на каждом
предыдущем трофическом уровне
количество биомассы, создаваемой за
единицу времени, больше, чем на
последующем
• Например, масса всех трав, выросших за
год в степи, значительно больше, чем
годовой прирост всех растительноядных
животных, а прирост хищников меньше, чем
15
растительноядных животных

16. Прямая пирамида энергии

хищники 2 порядка
хищники 1 порядка
фитофаги
растения
Причины рассеивания энергии:
1. Не вся биомасса поедается, часть отмирает
2. Не вся биомасса продуцентов превращается в биомассу
консументов и т. д. часть энергии теряется с фекалиями и 16
рассеивается в процессе дыхания

17. Перевернутая пирамида энергии

Консументы II порядка
Консументы I порядка
Продуценты
фитопланткон
Биомасса животных, потребляющих растительную пищу,
больше биомассы растительных организмов!
Из-за резких различий в продолжительности жизни:
Продуценты – фитопланктон с короткой продолжительностью жизни (часы, дни)
17
Косументы – более долгоживущие (зоопланктон) или другие животные (рыбы,
моллюски, киты), которые накапливают биомассу годами и десятилетиями

18.

Экологическая пирамида
наземной экосистемы
Экологическая пирамида
водной экосистемы
18

19. Правило пирамиды чисел:

общее число особей, которые участвуют в
цепях питания, с каждым последующим звеном
уменьшается
Хищник обычно крупнее своих жертв и для
поддержания собственной биомассы ему
необходимо несколько или много жертв –
обычная пирамида
19

20.

ПИРАМИДА
ЧИСЕЛ
(численность особей
на единице площади)
ПИРАМИДА
БИОМАСС
(сухой вес
биомассы г/м.кв)
ПИРАМИДА
ЭНЕРГИЙ
(Дж/м.кв *год)
20

21. 5. Динамика экосистем

I)
Циклические изменения
отражают суточную, сезонную и
многолетнюю периодичность внешних
условий и проявления внутренних ритмов
организмов:
периоды цветения, плодоношения
осенний листопад
зимний покой растений
спячка
миграции
21

22.

II) Поступательные изменения
вызваны внешними факторами,
длительное время воздействующими в
одном направлении, и приводят в
конечном итоге к смене одного
сообщества другим
Сукцессия
(от
лат.
succession
–
преемственность)
–
последовательная
необратимая смена биоценозов, преемственно
возникающих на одной и той же территории в
результате влияния природных факторов или
воздействия человека
22

23.

Ф. Клементс
(1874-1945)
В.Н. Сукачёв
(1880-1967)
С.М. Разумовский
(1929-1983)
23

24.

Впервые термин
«экологическая
сукцессия» ввел в
1916 г. американский
эколог Фредерик
Клеменс, который
изучал состав
растительных
сообществ,
сформировавшиеся
при постепенном
отступлении берегов
озера Мичиган
24

25. Существует множество классификаций сукцессий, по показателям, способным меняться в ходе сукцессии или по причинам смен:

по масштабу времени (быстрые, средние, медленные,
очень медленные)
по обратимости (обратимые и необратимые)
по степени постоянства процесса (постоянные и
непостоянные)
по происхождению (первичные и вторичные)
по тенденциям изменения продуктивности
(прогрессивные и регрессивные)
по тенденции изменения видового богатства
(прогрессивные и регрессивные)
по антропогенности (антропогенные и природные)
по характеру происходящих во время сукцессии
25
изменений (автотрофные и гетеротрофные)

26.

ПЕРВИЧНАЯ
СУКЦЕССИЯ
Если экосистема
развивается на местах,
прежде ненаселенных
• на новых песчаных
дюнах, застывших
потоках лавы, породах,
обнажившихся
в результате
отступления ледников
ВТОРИЧНАЯ
СУКЦЕССИЯ
Если экосистема
восстанавливается
после разрушения
• после вырубки, после
пожара в лесу,
на заброшенных
сельскохозяйственных
угодьях
26

27. Пример первичной сукцессии

Заселение острова Кракатау (Индонезия) после
извержения вулкана 1883 г, покрывшего часть
острова слоем пепла толщиной до 60 м:
• через 1 год здесь обитало несколько видов
травянистых растений и один вид пауков
• через 25 лет – уже 202 вида животных
• через 36 лет – 621 вид
• через 51 год здесь в настоящем молодом
лесу обитало 880 видов животных
27

28.

28

29.

Динамика видового разнообразия на о. Кракатау
после полного уничтожения аборигенной
флоры и фауны вулканическим взрывом
Прочие виды
Виды птиц
Виды растений
29

30. Климакс – это

• заключительное, относительно устойчивое
состояние сменяющих друг друга экосистем,
возникающее в результате смен, или
сукцессий, и в значительной мере
соответствующее экологическим условиям
определенной местности
• Климакс зависит от климатических факторов, от
местных особенностей почв и от воздействий
человека на природу
30

31.

Моноклимакс
• Фредерик Клементс
• в любой климатической зоне существует только
один истинный климакс, и к его возникновению ведут
все сукцессии
Поликлимакс
• Артур Тенсли
• климакс в данном участке может определяться
одним или несколькими факторами: климатом,
почвенными условиями, топографией, пожарами и т.
д., поэтому в одной климатической зоне вполне
может существовать целый ряд специфических
типов климакса
Моноклимакс+
поликлимаксы
• Юджин Одум
• склоняется к «золотой середине» , для каждой
территории характерен один единственный
моноклимаксовый исход, обусловленный
климатическими условиями, и множество
поликлимаксовых исходов, обусловленных
эдафическими факторами
31

32.

Типичные
тундровые
сообщества
Типичные
таёжные
сообщества
Ковыльные
степи
климаксовые сообщества
Некоторые биогеоценозы средней полосы нашей страны существуют, судя32по
анализу ископаемой пыльцы растений, десятки тысяч лет

33. Сукцессия сибирского тёмнохвойного леса (пихтово-кедровой тайги) после лесного пожара

33

34.

Первичная автогенная сукцессия на примере формирования
темнохвойного леса в Сибири после опустошительного пожара
Фаза
Пожар
Вейниковый луг
Зарастание кустарником
Березовый или осиновый лес
Смешанный
лес
сосноволиственного типа
Сосновые леса
Сосново -кедровые леса
Кедрово -пихтовые леса
Возраст, годы
Примечания
0
Полное отсутствие почвенного и
растительного покрова
Вначале преобладают однолетние
сорняки, а затем многолетние
травы
15 – 25
25 – 50
75 – 100
100 – 150
125 – 175
150 – 200
200 – 250
34

35.

35

36.

Эндогенные сукцессии
Экзогенные сукцессии
источник изменений
находится в самой биоте и
через изменение среды
действует на нее, синоним
– автогенная сукцессия
источник изменений
находится в среде,
обратная связь от биоты к
среде здесь также
присутствует, но
экзоэкогенез обычно
характеризуется тем, что
внешние изменения среды
значительно сильнее, и
они определяют ход и
направление сукцессии;
синоним – аллогенная
сукцессия
36

37. Превращение озера в низинное болото

37

38.

Формирование сплавины
38

39.

Пример вторичной сукцессии: превращение небольшого
озера вначале в луг, а затем в лиственный лес.
39

40.

Виды, поселяющимися первыми на свободных
территориях, называются пионерными видами, которые
способны быстро прижиться в нарушенной среде:
мхи
лишайники
цветковые
травянистые растения, однолетники
«сорняки»
Среди пионерных цветковых растений часто встречаются
виды семейства бобовых, а также ольха
Находящиеся с ними в симбиозе клубеньковые бактерии
способы фиксировать атмосферный азот, поэтому эти
растения могут выживать на малоплодородных почвах
40

41.

Пионерные виды могут настолько сильно изменить
условия среды, что становится возможным поселение здесь
новых видов
На почвах, обогащенных связанными соединениями
азота в результате деятельности клубеньковых бактерий,
поселяются другие виды растений,
требовательными к
азоту
Ольха также способствует сильному подкислению почвы
– за 50 лет рН в ольшанниках может снизиться от 8,0 до
5,0
После этого ель, устойчивая к высокой кислотности
почвы, используя накопленный в почве азот, вытесняет
ольху и образует сплошной еловый лес
Таким образом, пионерные виды впоследствии
вытесняются более поздними вселенцами
41

42. При всех типах сукцессий происходят следующие изменения в биогеоценозах:

ЭНЕРГЕТИКА БИОГЕОЦЕНОЗА:
Возрастание биомассы
и количества органического
детрита
Возрастание валовой первичной продукции
Уменьшение чистой первичной продукции
Вторичная продукция изменяется слабо
Состояние между энергией
прироста и энергией,
затраченной на дыхание, на начальных этапах больше
единицы, на конечных – приближается к ней
Соотношение между
продукцией
и биомассой
уменьшается
Соотношение Шрёдингера снижается
Соотношение Шрёдингера=индекс термодинамической
устойчивости=мера термодинамической упорядоченности экосистемы –
42
это отношение затрат энергии на поддержание жизнедеятельности, или дыхания,
к
энергии, заключённой в структуре или биомассе сообщества

43.

Круговороты элементов становятся все более замкнутыми
Увеличение времени оборота и запасов биогенных
элементов
ИЗМЕНЕНИЕ
ВИДОВОГО РАЗНООБРАЗИЯ БИОТЫ
(ФЛОРИСТИЧЕСКИЕ
И
ФАУНИСТИЧЕСКИЕ
ЭСТАФЕТЫ):
Раннесукцессионные пионерные виды обычно имеют очень
короткий жизненный цикл. Обычно это
однолетние
травянистые растения, которые зимуют в виде семян. Они
неспособны выдержать конкуренцию с более поздними
вселенцами.
С точки зрения концепции стратегии жизненных циклов
они являются r-стратегами
или
эксплерентами (по
Раменскому).
Более поздние вселенцы являются Кстратегами, а также патиентами и виолентами
43

44.

Возрастание видового богатства и информации сообщества
Возрастание выровненности
Снижение доминирования отдельных видов
r-стратеги постепенно вытесняются К-стратегами
Усложнение пищевых цепей, увеличение трофических
уровней
Уменьшение
количества отрицательных межвидовых
взаимодействий
и
увеличивается
количество
положительных взаимодействий
Развитие взаимовыгодные мутуалистические отношения
УСТОЙЧИВОСТЬ БИОГЕОЦЕНОЗА:
Возрастает
44

45. Три типа жизненных стратегий у растений по Л.Г. Раменскому

• Леонтий
Григорьевич
Раменский (18841953).
• Предложил свою
концепцию в 1938 г.
• Грайм переоткрыл
не зависимо от
Раменского
• Виоленты («силовики») –
виды, контролирующие
ресурсы (конкуренты по
Грайму)
• Патиенты («терпеливцы»)
– выносят дефицит
ресурсов (стресстолеранты по Грайму)
• Эксплеренты
(«заполняющие») – быстро
размножающиеся виды,
характерные для
нарушенных
местообитаний (рудералы
45
по Грайму)

46.

46

47.

47

48.

Задание
Определите тип сукцессии:
•Превращение заброшенных полей в дубравы
•Появление лишайников на остывшей
вулканической лаве
•Постепенное обрастание голой скалы
•Появление на песчаном грунте соснового леса
•Превращение гарей в еловые леса
•Постепенная смена вырубок лиственницей
•Превращение деградированных пастбищ в
березовый лес
48

49. 6. Искусственные экосистемы

• Агроценозы – биоценозы на землях
сельскохозяйственного пользования
49

50. Особенности агроценозов:

пониженное разнообразие видов
слабая способность видов
противостоять конкурентам (сорнякам) и
вредителям
растения, кроме солнечной, получают
дополнительную энергию
чистая первичная продукция удаляется с
полей практически полностью человеком
и не поступает в цепи питания
50

51. Т.е. человек стремится создать экологический абсурд:

агроценоз должен состоять из 1-2 видов,
а идеальная пищевая цепь должна иметь
2 звена: «растение – человек» или
«растение – домашнее животное»
В природе такая система невозможна
51

52.

Борьба с сорняками и вредителями
вызывает
эффект «экологического бумеранга»
52