Файл: Основи екології.doc

Кожна з систем, незважаючи на їх розмаїття і кількість, має в своїй структурі два основних компоненти: фактори живої (організми) і неживої природи. Сукупність організмів (рослин, тварин, мікроорганізмів) називають біотою (лат. bio – життя) екосистеми. Неживі (хімічні і фізичні) фактори навколишнього середовища називаються абіотою. Відмінність систем одна від одною в основному створюється своєрідністю абіотичних умов кожного регіону.

За масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистемами, макроекосистеми та глобальні екосистеми. У мікросистемах невеличкі тимчасові біоценози перебувають в обмеженому просторі. Це – трухляві пеньки, мурашники, мертві стовбури дерев тощо. Найпоширенішими є макроекосистеми, що розміщуються на величезних територіях чи акваторіях з характерним мікрокліматом і відповідають природним зонам. Це екосистеми лісу, тундри, тайги, степу, пустель, саван, морські екосистеми. Прикладом глобальної екосистеми служить біосфера Землі.

3.5.3. Ланцюги живлення та піраміди мас, чисел і енергії

В природі всі види пов’язані між собою, бо живлячись за рахунок інших істот, організми дістають енергію. Таким чином, утворюються ланцюги живлення (т. з. трофічні ланцюги). Ті, що починаються з автотрофів, називають ланцюгами виїдання (трава – миша – сова – яструб – пухоїд); ті ж, які беруть початок з відмерлих решток рослин, трупів і екскрементів тварин. Називають ланцюгами розкладання (перегній – жук-гнойовик – ворона – яструб – пухоїд). Трофічні ланцюги можуть розгалужуватись, якщо один з його учасників може живитися кількома видами їжі, утворюючі трофічні мережі. В природі вони трапляються частіше, ніж трофічні ланцюги, що забезпечує більшу стійкість екосистем у разі зміни умов середовища:

Коник Жаба Гадюка

Т рава

Ховрах Сова Яструб Пухоїд

Сукупність організмів, які дістають перетворену на їжу енергію Сонця і хімічних реакцій (від автотрофів) через однакову кількість посередників трофічного ланцюга створюють трофічний рівень:

■ - перший рівень (без посередників) – продуценти;

■ - другий рівень – первинні консументи (травоїдні організмі);

■ - третій рівень – вторинні консументи (хижаки) і паразити первинних консументів;

■ - четвертий рівень – вторинні хижаки і паразити вторинних консументів;

■ - п’ятий рівень – паразити вторинних хижаків;

■ - шостий рівень – надпаразити високих порядків.

Кількість ланок ланцюга живлення в екосистемі як правило не перевищує 4 – 6 і обмежується правилом екологічної піраміди, згідно з яким біомаса кожної наступної ланки (трофічного рівня) в ланцюзі живлення зменшується (рис.3.2).

VI						КОНСУМЕНТИ V р.
V					КОНСУМЕНТИ ІV р.
IV				КОНСУМЕНТИ ІІІ р.
III			КОНСУМЕНТИ ІІ р.
II		Гетеротрофи КОНСУМЕНТИ І р.
I	Автотрофи (ПРОДУЦЕНТИ)

Рис.3.2. Екологічна піраміда

Відповідно до того, що саме характеризують піраміди, вони поділяються на три типи:

■ - піраміда чисел, що відображає чисельність окремих видів;

■ - піраміда біомас характеризує суху масу чи енергетичну цінність;

■ - піраміда енергії показує величину потоку енергії чи продуктивність на кожному трофічному рівні.

3.5.4. Екологія популяцій

Популяція (англ. population - населення) - перша надорганізована біологічна система. Це - сукупність особин одного виду, здатна до самовідновлення і відмежована від інших аналогічних сукупностей цього самого виду екологічними (включно з часовими й просторовими) чи біологічними бар’єрами, що ускладнює обмін генетичною інформацією.

Просторова структура. Характеризується розміром, чисельністю, щільністю та константністю. У тварин є територія, яку вони контролюють, оберігають від особин цього самого чи іншого типу, мітять. Особини можуть вести поодинокий спосіб життя, утворювати (залежно від співвідношення кількості особин чоловічої та жіночої статей) - сім’ї (1 : 1), прайди (1 : кілька), стада (кілька : багато), колонії, зграї (багато : багато).

Вікова структура залежить від ступеня розвитку популяції, екологічних умов, стійкості. Популяції можуть складатися з різних поколінь (поліциклічні) і з особин одного віку й покоління (моноциклічні). В останні десятиліття відбуваються зміни вікового складу популяцій людей у бік збільшення групи похилого віку.

Статева структура може бути сталою або змінюватись залежно від виду, сезону, стадії розвитку. Так, у черепах залежно від температури виводяться переважно самці або самиці.

Ареал популяції - частина земної поверхні (чи акваторії), в межах якої в природних умовах існує популяція. Ареал залежить від радіуса індивідуальної активності і становить у слимаків кілька метрів, у риб - сотні метрів, у китів - тисячі кілометрів. Рослини розширюють свій ареал за рахунок поширення плодів і насіння за допомогою птахів, вітру, води, тварин, людини. Деякі рослини скорочують свій ареал завдяки втручанню людини: конвалії, підсніжники, сон-трава; при осушенні боліт - валеріана, череда; внаслідок хижацького знищення та отруєння пестицидами на полях - лисиці і зайці. Деякі види зовсім збідніли, і залишилися лише окремі особини або невеликі популяції.

3.5.5. Принципи функціонування екосистем

Цілісність і стійкість екосистем забезпечується:

■ - кругообігом хімічних елементів;

■ - використанням сонячної енергії;

■ - передачею енергії по ланцюгах живлення.

Перший принцип. Одержання ресурсів і позбавлення від відходів відбувається в рамках кругообігу всіх хімічних елементів. Кругообіг вуглецю (в біосфері вуглецю ~ 1210¹² т) відбувається фактично між живою речовиною та двоокисом вуглецю завдяки процесу фотосинтезу, здійснюваного рослинами. Вуглець - основний хімічний елемент живої речовини, оскільки входить до складу білків, жирів, вуглеводів та інших речовин. Двоокис вуглецю, що виділяється під час дихання організмів і розкладання органічних речовин, в аеробних умовах поглинається листям і кореневою системою для синтезу органічних сполук, що розміщуються в ґрунті разом з органічними речовинами - рештками відмерлих організмів. Щорічно вищі рослини і водорості при фотосинтезі поглинають 200 млрд. т вуглецю. В літосфері знаходяться сполуки вуглецю (у вигляді корисних копалин і карбонатів, а також алотропних форм - алмазу і графіту). У воді - карбонати і гідрокарбонати, розчинений СО₂, на дні - карбонатні мули, утворені хімічним шляхом чи внаслідок накопичення мертвих решток організмів, що будують своє тіло з карбонату кальцію.

Людська діяльність значно впливає на кругообіг вуглецю. Його сполуки у вигляді оксидів потрапляють в атмосферу при спалюванні горючих корисних копалин, що їх запасла літосфера; вуглеводні - під час нафтовидобутку та нафтопереробки.

Кругообіг кисню. Кисень використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях в атмосфері, літосфері і гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється то на органічну речовину, то на воду, то на молекулярний кисень. Весь кисень атмосфери через 2 тис. років проходить через живу речовину біосфери. За час свого існування людство вже безповоротно втратило близько 273 млрд. т кисню, а в наш час на спалювання вугілля, нафтопродуктів та газу втрачається величезна кількість кисню, й інтенсивність цього процесу щороку збільшується.

Кругообіг азоту, фосфору, сірки. Азот знаходиться у повітрі у вигляді газоподібних сполук (N₂, NH₃,N₂O); в живих організмах у вигляді білків, нуклеїнових кислот, ферментів; у ґрунті - у вигляді солей амонію, нітратів і нітритів; тут завдяки численним мікроорганізмам відбуваються найрізноманітніші біохімічні процеси. Азот вступає в кругообіг виключно через кореневу систему у вигляді нітратів чи солей амонію або за допомогою бактерій, грибів, синьо-зелених водоростей, здатних зафіксувати атмосферний азот. В природі є поклади KNO₃ (чилійської селітри) лише в Чилі.

Особливістю кругообігу фосфору є те, що він має лише одну газоподібну сполуку - фосфін РН₃, який утворюється під час гниття органічних решток. Мінерали - апатит і фосфорит; у ґрунті фосфор входить до складу решток мертвих організмів та їхніх екскрементів.

Сірка у складі органічних сполук міститься в живих організмах, горючих корисних копалинах. В ґрунті діють численні мікроорганізми, що перетворюють сполуки сірки в сірку і навпаки. Під час гниття органічних решток виділяється токсичний гідрогеносульфур, що отруює водяні організми; з іншого боку Н₂S може осаджувати катіони важких металів у вигляді малорозчинних сульфідів, сприяючи самоочищенню водойм. Великі кількості оксидів сірки утворюються при спалюванні сміття, добуванні металів з сульфідів, у виробництві та використанні сірчаної кислоти. В літосфері сірка існує як самородна; в мінералах і в природних водах, особливо мінералізованих. Сірководні зони існують і в морях (Чорне) та океанах - це мертві зони, хоча гідрогеносульфур є джерелом енергії для хемосинтезуючих бактерій.

Діяльність людини прискорює кругообіг вищезазначених елементів, головним чином за рахунок надмірного використання їх у добривах (т.з. надудобрення). При цьому відбувається бурхливе розмноження водоростей - “цвітіння” води. Це призводить до зменшення кількості розчиненого у воді кисню, що знищує рибу та інші організми. Руйнуються сформовані екосистеми. Індустрія і двигуни внутрішнього згоряння викидають в атмосферу багато нітратів і сульфатів. Потрапляючи на землю з дощами (т.з. “кислими” дощами), вони засвоюються рослинами, викликаючи їх мутацію або, частіше, загибель.

Кругообіг води. Вода покриває ¾ поверхні Землі. Під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується ~1 млрд. т води. Після охолодження пари утворюються хмари, випадає дощ і сніг. Опади частково проникають у ґрунт, і через коріння рослин, джерела, насоси повертаються на поверхню землі. Діапазон швидкостей циркуляції води дуже великий: від 2 млн. років (поновлення води океанів) до 10 діб (поновлення водяної пари в атмосфері).

Другий принцип. Екосистеми існують за рахунок сонячної енергії, яка не забруднює середовище, практично вічна і кількість якої відносно стала й надлишкова.

Сонце - природний термоядерний реактор, в якому з водню синтезуються ядра гелію і виділяється величезна кількість енергії. Всього на Землю надходить 10,510⁶ кДж/м² на рік променистої енергії (близько 30% втрачається в атмосфері, частина відбивається від хмар і 67% сонячної енергії потрапляє до поверхні). Сонячна енергія запасається продуцентами (зеленими рослинами) і передається по ланцюгах живлення: продуцент - консумент - редуцент. З кожного попереднього трофічного рівня передається всього близько 10% енергії, зворотній потік дуже малий і становить ~ 0,5%.

Третій принцип. Чим більша біомаса популяції, тим нижчим має бути трофічний рівень, який вона займає.

Людина порушує всі три принципи функціонування екосистем:

■ - змінюючи кругообіг хімічних елементів;

■ - використовуючи корисні копалини як джерело енергії і забруднюючи довкілля продуктами їх згоряння;

■ - збільшуючи чисельність людської популяції, справляючи тим самим тиск на природне середовище і порушуючи природну рівновагу між компонентами біосфери.

3.5.6. Стійкість екосистеми

Стійкість екосистеми забезпечується рівновагою популяцій, яких в екосистемі може бути сотні чи навіть тисячі. У свою чергу рівновага залежить від співвідношення біотичного потенціалу (сукупності чинників, які сприяють збільшенню чисельності популяції) і опору середовища (чинники, що протидіють збільшенню популяції), які діють у протилежних напрямках.

Біотичний потенціал складають такі чинники, як велика швидкість розмноження; поповнення статевозрілого складу за рахунок потомства; достатня кількість їжі; здатність розширювати свій ареал; параметри довкілля в зоні оптимуму виду.

Опір середовища включає нестачу їжі; несприятливі умови життя; розмноження хижаків; поширення хвороботворних бактерій; низька репродуктивна діяльність; сприятливість до хвороб і паразитів; нездатність адаптуватися до змін зовнішнього середовища.

Зменшення опору середовища може зумовити популяційний вибух - різке зростання чисельності окремої популяції (такі явища часто відбуваються з інтродукованими видами). З іншого боку, несприятливі умови навколишнього середовища спричиняють масову загибель певної популяції (розмноження хвороботворних організмів), отруєння пестицидами бджіл. Збільшення видів в екосистемі зменшує ймовірність таких ситуацій, тому різноманітність екосистеми забезпечує їх стабільність.

Основними природними екосистемами Землі є суходоли: - тундра, хвойні і листяні ліси помірної зони, вічнозелений тропічний ліс, степи, савана, пустеля, , болота, луки; і водойми: озера й ставки, річки і струмки, екосистеми відкритого океану, і континентального шельфу (прибережні території океану до глибини ~ 200м, багаті на рослинний і тваринний світ). Ці екосистеми характеризуються біологічною продуктивністю - кількістю органічної речовини, створеною за одиницю часу на одиницю площі (г/м² за добу; кг/м² за рік). Екосистемами найвищої біопродуктивності є тропічні вологі ліси (2000-3000); найнижчої - пустелі, напівпустелі, тундра (250 г/м² за рік).

Життєздатність видів і екосистем забезпечується генетичним різноманіттям і незначним коливанням зовнішнім умов. Багато змін у чисельність і різноманітність форм живого вносить і людська діяльність: нині кожному десятому виду загрожує зникнення, в Європі кожен п’ятий вид потребує охорони.

Руйнування екосистем, забруднення природного середовища, збільшення площ агроценозів з бідною видовою різноманітністю, порушення ланцюгів живлення спричинюють зникнення рослин і тварин, скорочення їх ареалів і чисельності. Велике занепокоєння викликає хижацьке знищення тропічних лісів, порушення дуже чутливих екосистем тундри, поширення використання Світового океану для видобутку корисних копалин тощо. Швидкість вимирання тварин зростала майже пропорційно збільшенню чисельності людей. Всього за історію людства вимерло 110 видів ссавців та 150 видів і підвидів птахів. Це тур, морська корова, голуб-мандрівник та ін.

В Україні близько 5 тис. видів рослин природної і понад 1 тис. видів культурної та інтродукованої флори. Однак лише за останні 60 років з природи Криму і Донеччини зникло 40 видів, Карпат - 20 видів.

Чим загрожує втрата бодай одного виду? Вид - це монополія природи, його не може створити людина, тому необхідно зберігати розмаїття природи навколо нас, адже подальше вивчення живої природи відкриває нові її таємниці, і хто знає, може необхідною стане рослина чи тварина, яку зараз ми називаємо шкідливою і бездумно знищуємо. Все існуюче на Землі має своє значення. Доречними тут будуть слова Д.Даррела: “Пам’ятайте, що у рослин і тварин немає депутатів, їм нікому писати і скаржитися, за них нема кому заступитися, крім нас, людей, які разом з ними заселяють цю планету”.