Биоценоз как биологическая структура

В водоемах растения, полностью  погруженные в воду (элодея, роголистник, уруть), оказываются в иных условиях температуры, освещенности, газового режима, чем плавающие на поверхности (телорез, водокрас, ряска) или укореняющиеся  на дне и выносящие листья на поверхность (кувшинка, кубышка, виктория). Различаются они и взаимосвязями со средой. Эпифиты тропических лесов занимают сходные, но все же не идентичные ниши, так как относятся к разным экологическим группам по отношению к свету и воде (гелиофиты и сциофиты, гигрофиты, мезофиты и ксерофиты). Разные эпифитные орхидеи имеют узкоспециализированных опылителей.

В зрелом широколиственном лесу деревья первого яруса –  дуб обыкновенный, вяз гладкий, клен платановидный, липа сердцелистная, ясень обыкновенный имеют сходные жизненные формы. Древесный полог, образованный их кронами, оказывается в одном горизонте, в сходных условиях среды. Но внимательный анализ показывает, что они по-разному участвуют в жизни сообщества и, следовательно, занимают разные экологические ниши.

Если в широколиственном лесу кроны деревьев находятся в  одном горизонте, то активные корневые окончания располагаются на разной глубине. Корни дуба проникают наиболее глубоко, выше располагаются корни  клена и еще более поверхностно – ясеня. Опад разных видов деревьев утилизируется с разной скоростью. Листья липы, клена, вяза, ясеня к весне почти полностью разлагаются, а листья дуба и весной еще образуют рыхлую лесную подстилку.

В онтогенезе растения, как  и многие животные, меняют экологическую нишу. С возрастом они более интенсивно используют и преобразуют среду. Переход растения в генеративный период заметно расширяет круг консортов, меняет размер и напряженность фитогенного поля. Средообразующая роль стареющих, сенильных растений убывает. Они теряют многих консортов, но увеличивается роль связанных с ними деструкторов. Продукционные процессы ослабляются.

У растений имеет место  перекрывание экологических ниш. Оно  усиливается в отдельные периоды  при ограничении ресурсов среды, но поскольку виды используют ресурсы индивидуально, избирательно и с разной интенсивностью, конкуренция в устойчивых фитоценозах ослабляется.

На богатство экологических  ниш в биоценозе оказывают  влияние две группы причин. Первая – условия среды, предоставляемые биотопом. Чем мозаичнее и разнообразнее биотоп, тем больше видов могут размежевать в нем свои экологические ниши. Другой источник разнообразия ниш – сами виды, являющиеся ресурсом и создающие среду для других. Американский исследователь Р. Макартур, изучая ярусное разнообразие растительности по горному склону и число видов гнездящихся птиц, продемонстрировал прямую зависимость между этими показателями, положив начало многим исследованиям, подтверждающим связь видовой емкости сообществ с их внутренней структурой. Любой новый вид, внедряющийся в сообщество, увеличивает число имеющихся в нем экологических ниш не только за счет своего собственного положения среди других, но и предоставляя ресурсы для паразитов и хищников, норовых и гнездовых сожителей и т. п.

Влияние антропогенной деятельности – (от греч. anthropos - человек и genes - рождающий) влияние на природную среду деятельности человека, прямо или косвенно вызывающее ее изменение.

В настоящее время  последствия антропогенного воздействия  на биосферу можно свести к изменениям структуры земной поверхности, химического состава биосферы, состава биоты, теплового баланса планеты.

Изменение структуры  земной поверхности - последствие преобразования природных ландшафтов в антропогенные: распашка земель, рубка леса, мелиорация, создание искусственных водоемов, открытая разработка полезных ископаемых. Изменение химического состава биосферы - последствие антропогенного загрязнения воздуха, гидросферы и почв. Изменения в характере земной поверхности и атмосферное загрязнение отразились на тепловом балансе планеты

Мощным фактором, приводящим к смене экосистем, является деятельность человека. Используя природные ресурсы и осваивая территории, он уничтожает леса. Рост городов приводит к вытаптыванию природных «зеленых зон». Исчезают многие виды трав, а за ними и животных. Уплотняется почва, снижается ее влагоемкость, а затем и плодородие.

Выпас сельскохозяйственных животных приводит к вытаптыванию лугов, выветриванию и эрозии почвы, уменьшению числа видов растений. Разнотравные луга и степи превращаются в пустыни. Под воздействием человека ускоряется смена биоценозов. Осушение болот приводит к потере уровня грунтовых вод, изменению микроклимата, исчезновению ряда видов растений и животных.

В сельскохозяйственных угодьях, на приусадебных участках человек борется с сорными растениями, постоянно прерывая сукцессию. Высевая ежегодно одни и те же культуры, человек создает идеальные условия для существования сельскохозяйственных вредителей, которые перестают мигрировать в поисках пищи и начинают активно размножаться. 
3 Лимитирующие экологические факторы

В середине XIX в. немецкий ученый-агрохимик Ю. Либих изучал процессы питания растений и влияние  разнообразных факторов и элементов  питания на их рост. Он установил, что  урожай культур зачастую ограничивается (лимитируется) не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах, например углекислым газом и водой (обычно эти вещества присутствуют в среде в изобилии), а теми, которые необходимы в минимальных количествах, но которых и в почве очень мало (например, цинк). Либих писал: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени».

В простейшем виде, применительно  к конкретным опытам ученого, закон минимума Либиха гласит: рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве (минимуме). В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон минимума Либиха можно  пояснить на таком примере. Пусть  в почве содержатся все элементы минерального питания, необходимые  для данного вида растений, кроме  одного из них, например бора или цинка. Рост растений на такой почве будет  угнетен. Если добавить в почву нужное количество бора (цинка), то это приведет к увеличению урожая. Но если вносить любые другие химические соединения (например, азот, фосфор, калий) и даже удастся добиться того, что все они будут содержаться в оптимальных количествах, а бор (цинк) будет отсутствовать, это не даст никакого эффекта.

При формулировании своих  обобщений Либих пользовался  определением «лимитирующий» по отношению  к факторам среды. В экологии под лимитирующим (ограничивающим) фактором понимается любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. Им может быть любой из действующих в природе экологических факторов: вода, тепло, свет, ветер, рельеф, содержание в почве необходимых для жизнедеятельности растений солей и химических элементов, а в водной среде — химизм и качество воды, количество доступного кислорода и углекислого газа. Такими факторами могут быть конкуренция со стороны другого вида, присутствие хищника или паразита.

Изучая лимитирующее действие экологических факторов на насекомых, американский зоолог В. Шелфорд пришел к выводу, что лимитирующим фактором, ограничивающим развитие организма, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия. В экологии такое положение носит название закона толерантности Шелфорда, сформулированного им в 1913 г. Диапазон между минимумом и максимумом определяет величину выносливости организма, который можно характеризовать экологическим минимумом и экологическим максимумом, что представлено на рисунке 1. В этих пределах и может существовать данный организм.

Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора — это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.

Для выражения степени  толерантности в экологии используют термины с приставками стено- (узкий) и эври- (широкий). Маловыносливые организмы, ограниченные каким-либо экологическим фактором и способные обитать только в условиях устойчивого постоянства этого фактора, называют стенобионтами. К ним относятся многие паразиты, виды, обитающие в океанических глубинах, в пещерах, тропических лесах. Напротив, организмы, способные существовать при широких амплитудах изменчивости факторов окружающей среды, называют эврибионтами. К ним относятся многие наземные животные. Так, ареал обитания лисицы распространяется от лесотундры до степей.

Рисунок 1 –  Схема действия экологического фактора на растение:

1 — точка минимума; 2- точка оптимума; 3- точка максимума

Чтобы подчеркнуть отношение  организма к конкретному фактору, используют термины, первая часть которых образована приставками стено- или эври-, а вторая содержит указание на конкретный фактор, например:

– эвритермные организмы, имеющие широкий температурный интервал (многие насекомые);

– стенотермные организмы, приспособившиеся к узкой амплитуде температур (для растений тропических лесов колебания температуры в пределах 5...8 °С могут быть губительными), что представлено на рисунке 2.

Смысл закона толерантности  вполне понятен. Упрощенно он может быть сформулирован так: плохо как недокормить, так и перекормить растение либо животное. Из этого закона вытекает следствие: любой избыток вещества или энергии является загрязняющим среду компонентом. Например, в засушливых областях избыток воды вреден, и вода может рассматриваться как загрязнитель.

Рисунок 2 – Диапазон активности эвритермных и стенотермных организмов

Итак, для каждого вида существуют пределы значений жизненно необходимых факторов абиотической среды, которые ограничивают зону его  толерантности (устойчивости). Живой организм может существовать в определенном интервале значений факторов. Чем шире этот интервал, тем выше устойчивость организма. Закон толерантности является одним из основополагающих в современной экологии.

4 Взаимосвязь хозяйственной деятельности  с уровнем развития биоценоза

В процессе эволюции экологические  системы достигают состояния  экологического равновесия. Они способны к саморегуляции, устранению различных  нарушений. Однако из-за интенсивной хозяйственной деятельности человека равновесие во многих экологических системах нарушается быстрее, чем успевает восстановиться.

Уничтожая леса и распахивая землю под сельскохозяйственные угодья, он лишает места обитания наземных животных. Строя различные сооружения на реках, он ограничивает места нерестилищ многих рыб. Расширяя свою зону обитания и экологическую нишу, человек неизбежно ограничивает таковые у других организмов.

С тех пор как человек  появился на Земле, он стал причиной исчезновения многих видов растений и животных. Высчитано, что за каждое тысячелетие существования человека в результате его хозяйственной деятельности на Земле исчезал один вид организмов.

Приведем несколько  примеров. Многие степные птицы и  млекопитающие, например стрепет, байбак, исчезли из черноморско-азовских степей в связи с распашкой целины. В лесах Новой Зеландии еще в XVIII в. жили огромные нелетающие птицы моа, похожие на страусов. Некоторые из них достигали 3 м в высоту. Местные жители из-за мяса и перьев полностью их истребили.

Российские первооткрыватели Дальнего Востока встречали крупных млекопитающих – морских коров, длиной до 9 м и весом до 3 т. Они стали объектом промысла: человек использовал их мясо, жир, кожу. В результате уже ко второй половине XVIII в. они были полностью истреблены.

В конце прошлого века полностью исчезла и дикая  лошадь тарпан, а еще раньше, в  начале XVII в., были уничтожены последние  дикие быки – туры. В настоящее  время процесс исчезновения организмов значительно ускорился. Сегодня уже можно говорить о вымирании одного вида каждые 10–15 лет.

Немало ценных растений и животных стали редкими, находятся  на грани вымирания. Из растений, нуждающихся  в охране, можно назвать тисс, мамонтово дерево, лотос. Из животных редкими стали птицы – гага, дрофа, стрепет, фламинго, белая цапля; млекопитающие – зубр, калан, морж, выхухоль, снежный барс, пятнистый олень.

В густонаселенных районах  земного шара редкими стали многие растения, что привело к исчезновению насекомых, питающихся этими растениями. Если не принять мер по охране всех этих организмов, они могут исчезнуть.

Причины нарушения экологического равновесия. Равновесие природных сообществ  нарушено во многих местах на Земле. Экосистемы функционируют безотходно, разрушители, потребители и производители  находятся рядом и функционируют в сообществе как единое целое. Человек же добывает сырье и перевозит его на большие расстояния, создает продукцию в одном месте, утилизирует и разрушает ее в другом, не думая о последствиях. Создание новых синтетических материалов приводит к загрязнению биосферы неперегнивающими отходами. Организмы-редуценты не усваивают эти вещества. Следовательно, человек должен подумать об утилизации промышленных остатков, найти рациональные замкнутые циклы.

В природе редко образуются токсичные соединения, не подверженные биологическому распаду. Даже когда растения или животные вырабатывают ядовитые вещества, они быстро разрушаются. Люди производят такие токсические вещества, которые не распадаются, а накапливаются в почве, воде, отравляя растения и животных. Выбросы побочных продуктов целого ряда производств загрязняют атмосферу, вызывая заболевания и гибель живых организмов.

Уже сейчас содержание вредных веществ в почве таково, что в некоторых местах может привести к печальным последствиям. Для дальнейшего существования цивилизации необходимо разрабатывать безотходные технологии, ограничивать или совсем прекратить выпуск ядохимикатов.

Злоупотребление природными ресурсами, эрозия почв, разрушение лесов, загрязнение водоемов и атмосферы  – это только некоторые результаты хозяйственной деятельности человека, нарушающие природные механизмы стабилизации.