Лекционный комплекс по дисциплине Биологическая экология

Тип работы: Материал
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 18 страниц
В избранное:

Западно-Казахстанский инновационно-технологический университет
Инженерно-гуманитарный факультет

Лекционный комплекс по дисциплине Биологическая экология

для студентов 3 курса специальности: 6В11201 - БЖД
форма обучения заочная
на 5 семестр 2021-2022 учебного года

Уральск - 2021 г.

Составитель: старший преподаватель Мурзабекова Жанна Андировна

Кафедра экологии и биотехнологии
109 кабинет

Количество кредитов - 5
Лекции - 30 часов
Форма контроля - экзамен, курсовая работа

Лекция №1. Введение. Предмет Биологическая экологии: определение, цели задачи и методы.
Краткий исторический очерк становления экологических знаний
Вопросы:
Биоэкология как наука, цели и задачи
Разделы экологии. Экологические законы Б. Коммонера
Основные направления экологических исследований в Казахстане и за рубежом
Наука, изучающая взаимоотношения компонентов в биотических системах по уровням биологической организации, начиная с организменного - биологическая экология. Биоэкология - это экология в первоначальном понимании термина, то есть часть биологии, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов и т.п.) между собой и окружающей средой. Вместе с тем - это биологическая основа (базис) современной экологии. Предметом биоэкологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Содержанием экологии является уровни организации жизни ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз). На каждом уровне или ступени в результате взаимодействий с о. физической средой возникают характерные функциональные системы.
Биоэкология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем.
аутоэкология (особей и организмов как представителей вида);
демэкология (экология малых групп);
популяционная экология;
специоэкология (экология вида);
синэкология (экология сообществ);
биоценология (экология биоценозов);
биогеоценология (учение об экосистемах различного иерархического уровня организации);
учение о биосфере (биосферология);
экосферология (глобальная экология выходит за рамки биосферы, изучая всю экосферу планеты как космического тела).
Б. Коммонер (1974) выдвинул ряд положений, которые сегодня называют
законами экологии: 1) все связано со всем; 2) всё должно куда-то деваться; 3) природа
знает лучше; 4) ничто не дается даром.
В настоящее время основными методами экологии являются полевые, экспериментальные исследования с использованием экосистемного подхода, изучения сообществ, популяционного подхода, анализ местообитаний, эволюционного и исторического подходов, изучение сообществ и математическое моделирование: при экосистемном подходе центром внимания исследователя-эколога являются поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентами экосферы. При изучении сообществ исследуют растения, животных и микроорганизмы, которые обитают в различных биотических единицах, таких, как лес, луг, пустошь. В современных популяционных исследованиях используются математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности популяции тех или иных видов. Анализ местообитаний особо выделяют в связи с удобством проведения исследований. Он широко растпространен в полевых исследованиях, так как местообитания легко поддаются классификации. Здесь изучают биотические компоненты экосистемы, основные факторы ОС - эдафические, топографические и климатические, такие, как почва, вода, влажность, температура, свет и ветер. Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на Земле, позволяет понять основные закономерности, которые действовали в экосфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влияющим на большинство организмов и на физическую среду, стала деятельность человека. Эволюционный подход в исследованиях позволяет реконструировать экосистемы прошлого, используя палеонтологические данные (анализ

пыльцы, ископаемые остатки и т.д.) и сведения о современных экосистемах. Историческая экология изучает изменения, связанные с развитием человеческой цивилизации, и технологии, их возрастающее влияние на природу, охватывая период от неолита до наших дней.

Лекция №2. Биосфера: определение, структура и эволюция
Вопросы:
Определение и структура биосферы. Эволюция биосферы.
Законы биогенной миграции атомов и необратимости эволюции.
Законы экологии Б. Коммонера.
Биосфера (с греч. Bios - жизнь, sphaira - шар, сфера) - глобальная экологическая система, особая оболочка Земли, сфера распространения жизни, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов, границы которой определяются наличием пригодных для организмов абиотических условий: температуры, жидкой воды, состава газов, солёности вод, элементов минерального питания.
Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни (В.И. Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.
Косное вещество, по В.И. Вернадскому, совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.
Биогенное вещество создаются и перерабатывается жизнью, совокупностью живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.
Особой категорией является биокосное вещество. В.И. Вернадский (1926) писал, что оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других. Биокосное вещество планеты, таким образом, - это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества.
Биосферу как место современного обитания организмов вместе самими организмами можно разделить на три подсферы:
А) аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха;
Б) гидробиосфера - глобальный мир воды (водная оболочка земли без подземных вод), населенный гидробионтами;
В) геобиосфера - верхняя часть земной коры (литосфера), населенная геобионтами.
Закон биогенной миграции атомов (В.И. Вернадского) имеет важное теоретическое и практическое значение. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое существовало на Земле в течение всей геологической истории. Согласно закону биогенной миграции атомов, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических факторов, в том числе эволюционных.
Б. Коммонер (1974) выдвинул ряд положений, которые сегодня называют
законами экологии: 1) все связано со всем; 2) всё должно куда-то деваться; 3) природа
знает лучше; 4) ничто не дается даром.

Первый закон Всё связано со всем отражает существование сложнейшей сети взаимодействий в экосфере. Он предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям.
Второй закон Всё должно куда-то деваться вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Он позволяет по новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные количества веществ извлечены из Земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что всё должно куда-то деваться. И как результат - большие количества веществ зачастую накапливаются там, где в природе их не должно быть.
Третий закон Природа знает лучше исходит из того, что структуры организмов нынешних живых существ или организмов современной природной экосистемы - наилучшие в том смысле, что они были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый вариант, скорее всего, будет хуже существующего ныне.
Четвертый закон Ничто не дается даром, по мнению Б. Коммонера, объединяет предшествующие три закона, потому, что биосфера как глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; всё, что было извлечено из неё человеком, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен.

Лекция №3, 4. Факторы среды и общие закономерности их действия на организмы
Вопросы:
Среда и условия существования организмов
Совместное действие экологических факторов
Среда - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие.
Условия жизни, или условия существования - это совокупность необходимых для организма элементов среды обитания, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которых существовать не может.
Приспособления организмов к среде носят название адаптаций.
Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами.
Многообразие экологических факторов подразделяется на две большие группы: абиотические и биотические.
Абиотические факторы - это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм.
Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.
Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а дающая наихудший эффект - пессимумом, т.е. условия, при которых жизнедеятельность организма максимально угнетается, но он ещё может существовать.
Весь интервал температур, от минимальной до максимальной, при которых ещё возможен рост, называют диапазоном устойчивости или толерантностью.
Точки, ограничивающие его, т.е. максимальная и минимальная температуры, пригодные для жизни, - это пределы устойчивости. Между зоной оптимума и пределами устойчивости по мере приближения к последним растение испытывает все нарастающий стресс, т.е. речь идет о стрессовых, или зонах угнетения в рамках диапазона устойчивости. По мере удаления от оптимума вниз и вверх по шкале не только усиливается стресс, - в конечном итоге по достижении пределов устойчивости организма происходит его гибель.
Для каждого вида растений или животных существуют оптимум, стрессовые зоны и пределы устойчивости или выносливости в отношении каждого средового фактора.

Рассмотрение отдельных факторов среды - это не конечная цель экологического исследования, а способ подойти к сложным экологическим проблемам, дать сравнительную оценку важности различных факторов, действующих совместно в реальных экосистемах.
Температура и влажность являются ведущими климатическими факторами и тесно взаимосвязаны между собой.
При неизменном количестве воды в воздухе относительная влажность увеличивается, когда температура падает. Если воздух охлаждается до температуры ниже точки водонасыщения (100%), происходит конденсация и выпадают осадки. При нагревании его относительная влажность падает. Сочетание температуры и влажности часто играет решающую роль в распределении растительности и животных. Взаимодействие температуры и влажности зависит не только от относительной, но и от абсолютной их величины. Например, температура оказывает более выраженное влияние на организмы в условиях влажности, близкой к критической, т.е. если влажность очень велика или очень мала. Влажность также играет более критическую роль при температуре, близкой к предельным значениям. Отсюда одни и те же виды организмов в различных географических зонах предпочитают разные местообитания. Так, по правилу предварения, установленному В.В. Алехиным (1951) для растительности, широко распространенные виды на юге произрастают на северных склонах, на севере встречаются только на южны

Лекция №5. Понятие о популяции
Вопросы:
Пространственные подразделения популяций
Рост популяций и кривые роста
Популяция - это часть вида (состоит из особей одного вида), занимающая относительно однородное пространство и способная к саморегулированию и поддержанию определенной численности.
Пространство или ареал, занимаемое популяцией, может быть различным как для разных видов, так и в пределах одного вида. Величина ареала популяции определяется в значительной мере подвижностью особей или радиусом индивидуальной активности. Если радиус индивидуальной активности невелик, величина популяционного ареала обычно также невелика.
Величина радиуса индивидуальной активности животных и растений (по А.В. Яблокову, А.Г. Юсуфову, 1976)
Вид
Радиус активности
Виноградная улитка
Несколько десятков метров
Сельдь
Несколько сот километров
Песец
Несколько сот километров
Северный олень
Более ста километров
Ондатра
Несколько сот метров
Усатые киты
Несколько тысяч километров
Дуб
Несколько сот метров
У растений радиус индивидуальной активности определяется расстоянием, на которое могут распространяться пыльца, семена или вегетативные части, способные дать начало новому растению. Во многих других случаях трофический ареал не совпадает с репродукционным.
В зависимости от размеров занимаемой территории Н.П. Наумов (1963) выделяет три типа популяций: элементарные, экологические и географические.
Элементарная популяция, или микропопуляция - это совокупность особей вида, занимающих какой-то небольшой участок однородной площади.
Экологическая популяция - формируется как совокупность элементарных популяций.

Географическая популяция охватывает группу особей, населяющих территорию с географически однородными условиями существования.
Если рождаемость в популяции превышает смертность, то популяция, как правило, будет расти. Рассмотрим это на примере одиночной бактериальной клетки, помещенной в питательную среду и находящейся в условиях, оптимальных для роста. Клетки и все её потомки делятся каждые 20 минут. Можно отметить четыре фазы роста бактерий.
Лаг-фаза - бактерии адаптируются к новой среде обитания, и поэтому максимальная скорость роста не достигается. В этот период у бактерий могут, например, синтезироваться новые ферменты, необходимые для усвоения тех питательных веществ, которые содержатся в новой среде.
Логарифмическая фаза - это такая фаза, когда бактерии растут с максимальной скоростью. Число клеток увеличивается почти экспоненциально, а кривая роста идет прямолинейно. Затем рост колоний начинает замедляться, и культура входит в стационарную фазу, а затем и в фазу замедления роста. Кривая роста приобретает сигмоидную (S-образную) форму. Такой тип роста называют зависимым от плотности популяции, которая влияет на истощение пищевых ресурсов и накопление токсических продуктов, а потому на рост. С увеличением плотности скорость роста популяции постепенно снижается до нуля, кривая выходит на плато. При нулевом росте популяция стабильна, т.е. размеры не меняются. Отдельные организмы при этом могут расти и размножаться

Лекция № 6, 7. Экология сообществ
Вопросы:
Понятие и классификация экосистем
Зональность макроэкосистем
Структура экосистем
Экосистема - это любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ.
Термин экосистема впервые был предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли.
В отечественной литературе широко применяется термин биогеоценоз, предложенный в 1940 году В.Н. Сукачевым. По его определению, биогеоценоз - это совокупность на известном протяжений земной поверхности однородных природных явлений, имеющая свою специфику взаимодействий этих слагающих её компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии.
Существующие на Земле экосистемы разнообразны. Выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд), макроэкосистемы (континент, океан) и глобальную - биосфера.
Крупные наземные экосистемы называют биомами.
Классификация природных экосистем:
наземные биомы;
пресноводные экосистемы;
морские экосистемы.
Изучение географического распределения экосистем может быть предпринято только на уровне крупных экологических единиц - макроэкосистем, которые рассматриваются в континентальном масштабе. Экосистемы не разбросаны в беспорядке, наоборот, сгруппированы в достаточно регулярных зонах, как по горизонтали (по широте), так и по вертикали (по высоте). Это подтверждается периодическим законом географической зональности А.А. Григорьева - М.И. Будыко: со сменой физико-

географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются.
Два абиотических фактора - температура и количество осадков - определяют размещение по земной поверхности основных наземных биомов. Режим температуры и осадков на некоторой территории в течении достаточно долгого периода времени и есть то, что называем климатом.
От экватора к полюсам видна определенная симметрия в распределении биомов различных полушарий:
1.Дождевые тропические леса; 2.Саванны; 3.Пустыни; 4.Степи; 5.Леса умеренного пояса; 6. Хвойные леса, тайга; 7. Тундра;
Совокупность организмов называют биотой экосистемы. Пути взаимодействия разных категорий организмов - это её биотическая структура.
С точки зрения трофической структуры, экосистему можно разделить на два яруса:
Верхний - автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или зеленый пояс, включающий растения или их части, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксации энергии счета, использование простых неорганических соединений;
Нижний - гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или коричневый пояс почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т.д., в котором преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений.
С биологической точки зрения, в составе экосистемы выделяют следующие компоненты:
неорганические вещества (С, СО2, Н2О и др.), включающиеся в круговороты;
органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотические части;
воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы;
продуцентов, автотрофных организмов (зеленые растения, сине-зеленые водоросли, фото- и хемосинтезирующие бактерии), производящих пищу из простых неорганических веществ;
консументов, или фаготрофов - гетеротрофных организмов, главным образом животных, питающихся другими организмами или частицами органического вещества;
редуцентов и детритофагов - гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделящегося самопроизвольно или извлеченного сапрофитами из растений и других организмов.

Лекция №8. Пищевые цепи и трофические уровни, пищевые сети
Вопросы:
Пищевые цепи и трофические уровни.
I. Внутри экосистемы содержащие энергию вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофов. Пищевые связи - это механизмы передачи энергии от одного организма к другому.
Последовательность переноса энергии называется пищевой (трофической) цепью, или цепью питания. Место каждого звена в цепи питания является трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называется первичными консументами, третьего - вторичными консументами и т.д.
Обычно различают три типа пищевых цепей. Пищевая цепь хищников начинается с растений и переходит от мелких организмов к организмам все более крупных размеров. На суше пищевые цепи состоят из трех-четырех звеньев.
Одна из простейших пищевых цепей имеет вид: растение -- заяц-- волк

продуцент-- травоядное --плотоядное
Пищевые цепи, включающие паразитов, отличаются от приведенных и идут от крупных организмов к мелким. В отдельных случаях организмы, таксономически значительно удаленные друг от друга, развиваются один внутри тела другого, первый паразит внутри второго и т.д. К примеру, у насекомых гиперпаразитизм очень сильно развит, и нередко пищевая цепь имеет следующий вид:
1 2 3 4
Растение -- травоядное -- паразит -- гиперпаразит Сосна -- гусеница -- бракониды -- наездники
Вокруг каждого вида насекомого-фитофага, который питается растениями, формируется зооценоз паразитов и хищников, образующих многочисленные пищевые цепи, где хозяин является начальным звеном.
Приведенные типы пищевых цепей, начинаются с фотосинтезирующих организмов и носят название пастбищных (цепи выедания, или цепи потребления).
Третий тип пищевых цепей, начинающихся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных относят к детритным (сапрофитным) пищевым цепям, или к детритным цепям разложения. В детритных пищевых цепях наземных экосистем важную роль играют лиственные леса, большая часть листвы которых не употребляется в пищу травоядными животными и входит в состав подстилки из опавших листьев. Листья измельчаются многочисленными детритофагами - грибами, бактериями, насекомыми и т.д., дальше заглатываются земляными червями, которые осуществляют равномерное распределение гумуса в поверхностном слое земли, образуя так называемый мулль. На этом уровне у грибов закладывается мицелий. Разлагающие микроорганизмы, завершающие цепь, производят окончательную минерализацию мертвых органических остатков. В целом типичные детритные пищевые цепи наших лесов можно представить следующим образом:
Первичные детритофаги--вторичные детритофаги--более крупные консументы Листовая подстилка--дождевой червь--черный дрозд--ястреб-перепелятник; Мертвое животное--личинки падальных мух--травяная лягушка--обыкновенный
уж.
В рассмотренных схемах пищевых цепей каждый организм представлен как
питающийся другими организмами какого-то одного типа. Реальные же пищевые связи в экосистеме намного сложнее, так как животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или из разных пищевых цепей, например, хищники верхних трофических. Нередко животные питаются как растениями, так и другими животными. Их называют всеядными. Таким образом, все три типа пищевых цепей всегда сосуществуют в экосистеме так, что её представители объединены многочисленными пересекающимися пищевыми связями, а все вместе они образуют пищевую сеть.
Пищевые сети в экосистемах весьма сложные, и можно сделать вывод, что энергия, поступающая в них, долго мигрирует от одного организма к другому.

Лекция №9. Экологические пирамиды. Биологическая продуктивность сообществ и экосистемы
Вопросы:
Экологические пирамиды.
Продуктивность экосистем.
Внутри каждой экосистемы трофические сети имеют хорошо выраженную структуру, которая характеризуется природой и количеством организмов, представленных на каждом уровне различных пищевых цепей. Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для их графического изображения обычно используют не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды. Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экосистемы в геометрической форме. Они строятся в виде

прямоугольников одинаковой ширины, но длина прямоугольников должна быть пропорциональна значению измеряемого объекта. Отсюда можно получить пирамиды численности, биомассы и энергию.
Экологические пирамиды отражают фундаментальные характеристики любого биоценоза, когда они показывают его трофическую структуру:
их высота пропорциональна длине рассматриваемой пищевой цепи, т.е. числу содержащихся в ней трофических уровней;
их форма более или менее отражает эффективность превращений энергии при переходе с одного уровня на другой.
Пирамиды численности. Они представляют собой наиболее простое приближение к изучению трофической структуры экосистемы. При этом сначала подсчитывают число организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням и представив в виде прямоугольника, длина которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади. Установлено основное правило, которое гласит, что в любой среде растений больше, чем животных, травоядных больше, чем плотоядных, насекомых больше, чем птиц и т.д.
Пирамида биомассы. Отражает более полно пищевые взаимоотношения в экосистеме, так как в ней учитываются суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня. Прямоугольники в пирамидах биомассы отображают массу организмов каждого трофического уровня, отнесенную к единице площади или объема.
Пирамида энергии. Она представляет эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей, строятся подсчетом количества энергии (ккал), аккумулированной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне
Продуктивность экосистем тесна связана с потоком энергии, проходящим через ту или иную экосистему. В каждой экосистеме часть приходящей энергии, попадающей в трофическую сеть, накапливается в виде органических соединений.
Органическое вещество, создаваемое продуцентами в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, называют первичной продукцией экосистемы.
Количественно её выражают в сырой или сухой массе растений или в энергетических единицах - эквивалентном числе калорий или джоулей. Первичной продукцией определяется общий поток энергии через биотический компонент экосистемы, а следовательно, и биомасса живых организмов, которые могут существовать в ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.