Реферат
на тему: «Биоценозы и экосистемы»
СВОЙСТВА И ТИПЫ БИОЦЕНОЗОВ
Природные биоценозы очень сложны. Они характеризуются,прежде всего, видовым разнообразием и плотностью популяции.
Видовое разнообразие — число видов живыхорганизмов, образующих биоценоз и определяющих различные пищевые уровни в нем.Численность видовых популяций определяется количеством особей данного вида наединице площади. Некоторые виды являются в сообществе доминантными, превосходяпо численности остальные. Если в сообществе доминируют несколько видов, аплотность остальных очень мала, то разнообразие низкое. Если при том же видовомсоставе численность каждого из них более или менее выравнена, то видовоеразнообразие высокое.
Кроме видового состава биоценоз характеризуетсябиомассой и биологической продуктивностью.
Биомасса — общее количество органического вещества изаключенной в нем энергии всех особей данной популяции или всего биоценоза,приходящееся на единицу площади. Биомасса определяется количеством сухоговещества на 1 га или количеством энергии (Дж)1.
Величина биомассы зависит от особенностей вида,его биологии. Например, у быстроотмирающих видов (микроорганизмов) биомассаневелика по сравнению с долгоживущими организмами, накапливающими в своихтканях большое количество органических веществ (деревья, кустарники, крупныеживотные).
Биологическая продуктивность — скорость образованиябиомассы в единицу времени. Это наиболее важный показатель жизнедеятельностиорганизма, популяции и экосистемы в целом. Различают первичную продуктивность —образование органического вещества автотрофа-ми (растениями) в процессефотосинтеза и вторичную — скорость образования биомассы гетеротрофами(консументами и редуцентами).
Соотношение продуктивности и биомассы различно уразных организмов. Кроме того, в различных экосистемах продуктивностьнеодинакова. Она зависит от величины солнечной радиации, почвы, климата. Самойнизкой биомассой и продуктивностью обладают пустыни и тундра, самой высокой —дождевые тропические леса. По сравнению с сушей биомасса Мирового океаназначительно ниже, хотя он занимает 71% поверхности планеты, что связано снизким содержанием питательных веществ. В прибрежной зоне биомасса значительновозрастает.
В биоценозах различают два типа трофической сети:пастбищную и детритную. В пастбищном типе пищевой сети энергия идет отрастений к растительноядным животным, а далее к консументам более высокогопорядка. Травоядные животные, вне зависимости от их величины и среды обитания(наземные, водные, почвенные), пасутся, выедают зеленые растения и передаютэнергию на следующие уровни.
Если поток энергии начинается с мертвыхрастительных и животных остатков, экскрементов и идет к первичным детритофагам— редуцентам, частично разлагающим органические вещества, то такая трофическаясеть называется детритной, или сетью разложения. К первичнымдетритофагам относятся микроорганизмы (бактерии, грибы) и мелкие животные(черви, личинки насекомых).
В наземных биогеоценозах присутствуют оба типатрофической сети. В водных сообществах преобладает цепь выедания. И в том и вдругом случае энергия используется полностью.
Эволюция экосистем
СУКЦЕССИИ
Все экосистемы эволюционируют во времени.Последовательная смена экосистем называется экологической сукцессией. Сукцессияпроисходит главным образом под влиянием процессов, протекающих внутрисообщества при взаимодействии с окружающей средой.
Первичная сукцессия начинается с освоения среды,которая до этого не была обитаема: разрушенная горная порода, скала, песчанаядюна и т. д. Здесь велика роль первых поселенцев: бактерий, цианобактерий,лишайников, водорослей. Выделяя продукты жизнедеятельности, они изменяютматеринскую породу, разрушают ее и способствуют почвообразованию. Отмирая,первичные живые организмы обогащают поверхностный слой органическимивеществами, что позволяет поселяться другим организмам. Они постепенно создаютусловия для все большего разнообразия организмов. Сообщество растений иживотных усложняется, пока не достигает определенного равновесия со средой.Такое сообщество называют климаксовым. Оно поддерживает своюстабильность до тех пор, пока не нарушается равновесие. Лес представляет собойустойчивый биоценоз — климаксовое сообщество.
Вторичная сукцессия развивается на месте ужеимевшегося ранее сформированного сообщества, например, на месте пожарища илизаброшенного поля. На пепелище поселяются светолюбивые растения, под их пологомразвиваются теневыносливые виды. Появление растительности улучшает состояниепочвы, на которой начинают произрастать уже другие виды, вытесняя первыхпоселенцев. Вторичная сукцессия происходит во времени и в зависимости от почвыможет быть быстрой или медленной, пока, наконец, не образуется климаксовоесообщество.
Озеро, при нарушении в нем экологическогоравновесия, может превратиться в луг, а затем и в лес, характерный для даннойклиматической зоны.
Сукцессия приводит к последовательному усложнениюсообщества. Его пищевые сети становятся все более разветвленными, все полнееиспользуются ресурсы среды. Зрелое сообщество наиболее приспособлено к условиямсреды, популяции видов стабильны и хорошо воспроизводятся.
ИСКУССТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ. АГРОЦЕНОЗЫ
Агроценоз — искусственно созданные и поддерживаемыечеловеком экосистемы (поля, сенокосы, парки, сады, огороды, лесные посадки). Ихсоздают для получения сельскохозяйственной продукции. Агроценозы обладаютплохими динамическими качествами, малой экологической надежностью, нохарактеризуются высокой урожайностью. Занимая примерно 10% площади суши,агроценозы ежегодно производят 2,5 млрд т сельскохозяйственной продукции.
Как правило, в агроценозе культивируется один илидва вида растений, поэтому взаимосвязи организмов не могут обеспечитьустойчивость такого сообщества. Действие естественного отбора ослабленочеловеком. Искусственный отбор идет в направлении сохранения организмов смаксимальной продуктивностью. Кроме солнечной энергии в агроценозе присутствуети другой источник — минеральные и органические удобрения, вносимые человеком.Основная часть питательных веществ постоянно выносится из круговорота вкачестве урожая. Таким образом, круговорот веществ не осуществляется.
В агроценозе,как и в биоценозе, складываются пищевые цепи. Обязательным звеном в этой цепиявляется человек. Причем здесь он выступает как консумент I порядка, но на этомпищевая цепь прерывается. Агроценозы очень неустойчивы и без участия человекасуществуют от 1 года (зерновые, овощные) до 20—25! лет (плодово-ягодные).
РАЗВИТИЕ БИОЛОГИИ В ДОДАРВИНОВСКИЙ ПЕРИОД
Зарождение биологии как науки связано сдеятельностью греческого философа Аристотеля (IV в. до н.э.). Он пыталсяпостроить классификацию организмов на основе анатомических и физиологическихисследований. Ему удалось описать почти 500 видов животных, которых онрасположил в порядке усложнения. Изучая эмбриональное развитие животных,Аристотель обнаружил большое сходство начальных стадий эмбриогенеза и пришел кмысли о возможности единства их происхождения.
В период с XVI по XVIII в. идет интенсивноеразвитие описательной ботаники и зоологии. Открытые и описанные организмытребовали систематизации и введения единой номенклатуры. Эта заслугапринадлежит выдающемуся ученому Карлу Линнею (1707—1778). Он впервые обратилвнимание на реальность вида как структурной единицы живой природы. Он ввелбинарную номенклатуру вида, установил иерархии единиц систематики (таксонов),описал и систематизировал 10 тыс. видов растений и 6 тыс. видов животных, атакже минералы. По своему мировоззрению К. Линней был креационистом. Онотвергал идею эволюции, считая, что видов столько, сколько различных форм былосоздано богом вначале. В конце жизни К. Линней все же согласился с существованиемизменчивости в природе, вера в неизменяемость вида была несколько поколеблена.
Автором первой эволюционной теории былфранцузский биолог Жан-Батист Ламарк (1744— 1829). Ламарк увековечил свое имя,введя термин «биология», создав систему животного мира, где впервые разделилживотных на «позвоночных» и «беспозвоночных». Ламарк впервые создал целостнуюконцепцию развития природы и сформулировал три закона изменяемости организмов.
1. Закон прямого приспособления.Приспособительные изменения растений и низших животных происходят под прямымвоздействием окружающей среды. Приспособления возникают за счет раздражимости.
2. Закон упражнения и неупражнения органов. Наживотных с центральной нервной системой среда оказывает косвенное воздействие.Длительное влияние среды вызывает у животных привычки, связанные с частымупотреблением органов. Усиленное его упражнение приводит к постепенномуразвитию этого органа и закреплению изменений.
3. Закон «наследования благоприобретенныхпризнаков», согласно которому полезные изменения передаются и закрепляются впотомстве. Этот процесс носит постепенный характер.
Непревзойденным авторитетом XIX в. в областипалеонтологии и сравнительной анатомии являлся французский зоолог Жорж Кювье(1769—1832). Он был одним из реформаторов сравнительной анатомии и систематикиживотных, ввел понятие «тип» в зоологии. Основываясь на богатом фактическомматериале, Кювье установил «принцип корреляции частей тела», на базе которогореконструировал строение вымерших форм животных. По своим воззрениям он былкреационистом и стоял на позициях неизменяемости видов, а наличиеприспособительных признаков у животных рассматривал как свидетельствоизначально установленной гармонии в природе. Причины смены ископаемых фаун Ж.Кювье видел в катастрофах, которые происходили на поверхности Земли. По еготеории, после каждой катастрофы происходило повторное сотворение органическогомира.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ Ч. ДАРВИНА
Честь создания научной теории эволюциипринадлежит Чарлзу Дарвину (1809—1882) — английскому естествоиспытателю.Исторической заслугой Дарвина является не установление самого факта эволюции, авскрытие основных причин и движущих сил ее. Он ввел термин «естественный отбор»и доказал, что основой для естественного отбора и эволюции является наследственнаяизменчивость организмов. Результатом его многолетней работы явилась книга«Происхождение видов путем естественного отбора» (1859). В 1871 г. выходит в свет его другой большой труд «Происхождение человека и половой отбор».
Основнымидвижущими силами эволюции Ч. Дарвин назвал наследственную изменчивость, борьбу засуществование и естественный отбор. Исходным положением ученияДарвина являлось его утверждение об изменчивости организмов. Он выделилгрупповую, или определенную, изменчивость, которая не наследуется и находится впрямой зависимости от факторов среды. Второй тип изменчивости — индивидуальная,или неопределенная, которая возникает у отдельных организмов в результатенеопределенных воздействий среды на каждую особь и наследуется. Именно этаизменчивость лежит в основе разнообразия особей.
Наблюдая и анализируя одно из основных свойстввсего живого — способность к неограниченному размножению, Дарвин сделал вывод осуществовании фактора, препятствующего перенаселению и ограничивающегочисленность особей. Вывод: интенсивность размножения, а такжеограниченность природных ресурсов и средств жизни приводят к борьбе засуществование.
Наличие спектра изменчивости у организмов, ихнеоднородность и борьба за существование приводят к выживанию наиболееприспособленных и уничтожению менее приспособленных особей. Вывод: вприроде идет естественный отбор, который способствует накоплению полезныхпризнаков, передаче и закреплению их в потомстве. Идея естественного отборавозникла у Дарвина в результате наблюдений за искусственным отбором и селекциейживотных. По Дарвину, результатом естественного отбора в природе явились:
1) возникновение приспособлений;
2) изменяемость, эволюция организмов;
3) образование новых видов. Видообразование идетна основе дивергенции признаков.
Дивергенция — расхождение признаков в пределах вида,возникающее под действием естественного отбора. Наибольшие преимущества квыживанию имеют особи с крайними признаками, тогда как особи со средними,сходными, признаками гибнут в борьбе за существование. Организмы суклоняющимися признаками могут стать родоначальниками новых подвидов и видов.Причиной дивергенции признаков являются наличие неопределенной изменчивости,внутривидовая конкуренция и разнонаправленный характер действия естественногоотбора.
Теория видообразования Дарвина называетсямонофилетической — происхождение видов от общего родоначальника, исходноговида. Ч. Дарвин доказал историческое развитие живой природы, объяснил путивидообразования, обосновал формирование приспособлений и их относительныйхарактер, определил причины и движущие силы эволюции.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЭВОЛЮЦИИ
Биологическая эволюция — исторический процессразвития органического мира, который сопровождается изменениями организмов,вымиранием одних и появлением других. Современная наука располагает многимифактами, свидетельствующими об эволюционных процессах.
Эмбриологические доказательства эволюции.
В первой половине XIX в. получает развитиетеория «зародышевого сходства». Русский ученый Карл Бэр (1792—1876) установил,что на ранних стадиях развития эмбрионов обнаруживается большое сходство междуразличными видами в пределах типа.
Работы Ф. Мюллера и Э. Геккеля позволили имсформулировать биогенетический закон: «онтогенез есть краткое и быстроеповторение филогенеза». Позднее трактовка биогенетического закона была развитаи уточнена А. Н. Северцовым: «в онтогенезе повторяются эмбриональные стадиипредков». Наибольшее сходство имеют зародыши на ранних стадиях развития. Общиепризнаки типа формируются в ходе эмбриогенеза раньше, чем специальные. Так, всеэмбрионы позвоночных на I стадии имеют жаберные щели и двухкамерное сердце. На среднихстадиях появляются особенности, характерные для каждого класса, и лишь на болеепоздних формируются особенности вида. Сравнительно-анатомические иморфологические доказательства эволюции.
Доказательством единства происхождения служитклеточное строение организмов, единый план строения органов и их эволюционныеизменения.
Гомологичные органы имеют сходный планстроения и общность происхождения, выполняют как одинаковые, так и различныефункции. Гомологичные органы позволяют доказать историческое родство различныхвидов. Первичное морфологическое сходство заменяется, в разной степени, различиями,приобретенными в ходе дивергенции. Типичным примером гомологичных органовявляются конечности позвоночных, имеющие общий план строения независимо отвыполняемых функций.
Некоторыеорганы растений морфологически развиваются из листовых зачатков и являютсявидоизмененными листьями (усики, колючки, тычинки).
Аналогичные органы — вторичное, неунаследованное от общих предков, морфологическое сходство у организмовразличных систематических групп. Аналогичные органы сходны по выполняемымфункциям и развиваются в процессе конвергенции. Они свидетельствуют ободнотипных приспособлениях, возникающих в ходе эволюции в одинаковых условияхсреды в результате естественного отбора. Например, аналогичные органы животных— крылья бабочки и птицы. Это приспособление к полету у бабочек развилось изхитинового покрова, а у птиц — из внутреннего скелета передних конечностей иперьевого покрова. Филогенетически эти органы формировались по-разному, новыполняют одинаковую функцию — служат для полета животного. Иногда аналогичныеорганы приобретают поразительное сходство, как, например, глаза головоногихмоллюсков и наземных позвоночных. Они имеют одинаковый общий план строения,похожие структурные элементы, хотя и развиваются из разных зачатков вонтогенезе и никак не связаны между собой. Сходство объясняется лишь физическойприродой света.
Примером аналогичных органов являются колючкирастений, которые защищают их от поедания животными. Колючки могут развиватьсяиз листьев (барбарис), прилистников (белая акация), побега (боярышник), коры(ежевика). Они сходны лишь внешне и по выполняемым функциям.
Рудиментарные органы — сравнительно упрощенныеили недоразвитые структуры, утратившие свое первоначальное назначение. Онизакладываются в период эмбрионального развития, но полностью не развиваются.Иногда рудименты берут на себя иные функции по сравнению с гомологичнымиорганами других организмов. Так, рудимент аппендикс человека выполняет функциюлимфотворения, в отличие от гомологичного органа — слепой кишки травоядных.Рудименты тазового пояса кита и конечностей питона подтверждают фактпроисхождения китов от наземных четвероногих, а питонов — от предков сразвитыми конечностями.
Атавизм — явление возврата к предковым формам,наблюдающееся у отдельных особей. Например, зеброидная окраска жеребят,многососковость у человека.
Биогеографические доказательства эволюции.
Изучение флоры и фауны различных материковпозволяет восстановить общий ход эволюционного процесса и выделить несколькозоогеографических зон, имеющих сходных наземных животных.
1. Голарктическая область, которая объединяетПалеарктическую (Евразия) и Неоарктическую (Северная Америка) области. 2.Неотропическая область (Южная Америка). 3. Эфиопская область (Африка). 4.Индо-Малайская область (Индокитай, Малайзия, Филиппины). 5. Австралийскаяобласть. В каждой из перечисленных областей наблюдается большое сходствоживотного и растительного мира. Одна область от других отличается определеннымиэндемичными группами.
Эндемики — виды, роды, семейства растений или животных,распространение которых ограничено небольшой географической областью, т. е. этоспецифическая для данной области флора или фауна. Развитие эндемии чаще всегосвязано с географической изоляцией. Например, наиболее раннее отделениеАвстралии от южного материка Гондваны (более 120 млн лет) привело ксамостоятельному развитию ряда животных. Не испытывая давления со стороныхищников, которые отсутствуют в Австралии, здесь сохранились однопроходныемлекопитающие-первозвери: утконос и ехидна; сумчатые: кенгуру, коала.
Флора и фауна Палеарктической и Неоарктическойобластей, наоборот, сходны между собой. Например, близкородственными являютсяамериканские и европейские клены, ясени, сосны, ели. Из животных такиемлекопитающие, как лоси, куницы, норки, белые медведи, обитают в СевернойАмерике и в Евразии. Американскому бизону соответствует родственный вид —европейский зубр. Подобное родство свидетельствует о длительном единстве двухматериков.
Палеонтологические доказательства эволюции.
Палеонтология изучает ископаемые организмы ипозволяет установить исторический процесс и причины изменения органическогомира. На основе палеонтологических находок составлена история развитияорганического мира.
Ископаемыепереходные формы — формы организмов, сочетающие признаки более древних и молодыхгрупп. Они помогают восстановить филогенез отдельных групп. Представители:археоптерикс — переходная форма между рептилиями и птицами; иностранцевия —переходная форма между рептилиями и млекопитающими; псилофиты — переходнаяформа между водорослями и наземными растениями.
Палеонтологические ряды составляются изископаемых форм и отражают ход филогенеза (исторического развития) вида. Такиеряды существуют для лошадей, слонов, носорогов. Первый палеонтологический рядлошадей был составлен В. О. Ковалевским (1842—1883).
Реликты — виды растений или животных, сохранившиеся отдревних исчезнувших организмов. Для них характерны признаки вымерших групппрошлых эпох. Изучение реликтовых форм позволяет восстановить облик исчезнувшихорганизмов, предположить условия их обитания и образ жизни. Гаттерия —представитель древних примитивных пресмыкающихся. Такие пресмыкающиеся обиталив юре и меловом периоде. Кистеперая рыба латимерия известна с раннего девона.Эти животные дали начало наземным позвоночным. Гинкго являются наиболеепримитивной формой голосеменных. Листья крупные, вееровидные, растениялистопадные.
Сравнение современных примитивных и прогрессивныхформ дает возможность восстановить некоторые черты предполагаемых предковпрогрессивной формы, проанализировать ход эволюционного процесса.