Ильяш Людмила Васильевна, д.б.н., профессор каф. гидробиологии

Ильяш
Людмила Васильевна,
д.б.н., профессор каф.
гидробиологии
Вопросы? Проблемы?
Пишите:
ilyashl@mail.ru
Экосистемы Земли:
разнообразие и принципы
организации
Чем курс закончится?
Зачет –
написание
реферата
Можно получить «почти» автомат. Как?
• Посещать лекции (НЕ забывайте отмечаться!)
• Использовать материалы лекций (на сайте
биологического факультета)
Легко напишете реферат по
выбранной теме
Чему посвящен курс?
Образование - то, что остаётся, когда всё выученное
забыто.
Макс фон Лауэ
(Нобелевский лауреат по физике, 1914 г.)
МОРСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ
АРКТИКИ
Две лекции: Краткая характеристика условий обитания
живых организмов. И еще вы узнаете, какие организмы
выживают (а некоторые процветают) в столь суровых
условиях.
И еще одна (третья) лекция будет посвящена
влиянию потепления климата на
экосистемы Арктики.
Ильяш Людмила Васильевна,
д.б.н., профессор каф. гидробиологии
Владимир Викторович
Иваницкий
доктор биологических наук
ведущий научный сотрудник
кафедры зоологии позвоночных
биологического факультета МГУ
Дождевые тропические леса:
средоточие биоразнообразия планеты
Владимир
Викторович
Иваницкий
Экосистемы островов:
глазами эколога и биогеографа
1. ЗЕМЛЯ – ПЛАНЕТА НАСЕКОМЫХ
2. НАСЕКОМЫЕ И ЧЕЛОВЕК
– ДРУЗЬЯ ИЛИ ВРАГИ?
Дмитрий Юрьевич
Тишечкин
каф. энтомологии
1. Структурно-функциональная
организация рыбных сообществ в
водных экосистемах
профессор К.В.Кузищин,
кафедра ихтиологии
2.Рыбы в условиях трансформации
водных экосистем: современные
подходы к управлению биоресурсами
3. Роль рыб в развитии человеческой
цивилизации
от палеолита до наших дней
профессор К.В.Кузищин,
кафедра ихтиологии
НАЧНЕМ…
Биосфера — глобальная экосистема Земли,
включает все живые организмы и среду их
обитания
Число видов:
Описано 1,2 млн
Расчеты по моделям:
8,7 ± 1.3 млн
(2,2±0.18 млн - морские)
Мы знаем 14% наземных и 9% морских видов
Больше всего видов - насекомые
Вид – совокупность особей, способных
скрещиваться и давать плодовитое потомство.
Мы еще не знаем ~ 77 %
видов, живущих на Земле
Описание «новых для науки» видов займет 1200 лет и
будет стоить 364 миллиарда долларов.
При существующей скорости вымирания часть видов так
никогда и не будет описана!
Экосистема — элементарная
функциональная единица Биосферы
Критерии?
Экологическая система (экосистема): любое единство,
включающее все организмы на определенном участке и
взаимодействующее с физической средой таким
образом, что поток энергии создаёт чётко определённую
трофическую структуру, видовое разнообразие и
и круговорот веществ
внутри системы (обмен
Окружающая
веществами и
среда (БИОТОП)
энергией между
биотической и
абиотической
Живые
частями)
организмы
Ю. Одум, 1971
(БИОТА,
БИОЦЕНОЗ)
Трофическая структура и
круговорот веществ
Абиотическая
компонента
Биотическая
компонента
Консументы
Продуценты
Солнечная
энергия
Редуценты
Минеральные
вещества
Есть исключение
Продуценты
Фотоавтотрофы:
свет + CO2 + Н2О → органическое вещество + O2
Фотосинтетические пигменты (хлорофиллы
a, b, c, d и другие)
Первичные продуценты
Наземные экосистемы –
высшие растения
Водные экосистемы
цианобактерии
одноклеточные и многоклеточные
водоросли
Первичная продукция
Первичная продукция (ПП) –
количество органического
вещества, созданного из
углекислого газа за счет
энергии света в процессе
фотосинтеза.
ПП соотносят:
• к определенному промежутку времени: час, сутки,
сезон, год (СКОРОСТЬ процесса).
• к определенной площади (наземные экосистемы) и/или
объема (водные экосистемы): м2; гектар; вся площадь
экосистемы; м3, весь водоем и т.д.
Первичная продукция
свет + CO2 + Н2О→
O2+органическое вещество
Энергия для синтеза всех
необходимых веществ – за счет
дыхания (окисления
органических веществ до CO2)
Валовая ПП – без затрат на дыхание.
Чистая ПП – за вычетом затрат на дыхание, то что
включено в БИОМАССУ и доступно другим трофическим
уровням
Биомасса - выраженное в единицах
массы количество живого вещества,
отнесенное к единице площади или
объема.
Единицы (на единицу
площади/объема):
• сырой вес
• сухой вес
• углерод
• азот
• для расчета потока вещества
между трофическими уровнями;
• для расчета баланса вещества
в экосистеме
БИОТА
БИОМАССА
• Биомасса совокупности организмов
одного вида;
• целого сообщества;
• выполняющих определенную
функциональную роль в экосистеме
(продуцентов, консументов,
редуцентов) и т.д.
Сообщества - локальные
совокупности организмов разных
видов, обитающих вместе и более или
менее отличающихся от других
аналогичных совокупностей.
БИОМАССА
БИОТА
Биомассу продуцентов также часто оценивают в весовых единицах
хлорофилла а (например, мг хлорофилла а /м2 или м3)
Распределение концентрации хлорофилла а в
Мировом океане
Продуценты
Фотосинтез
Метаболизм
Биомасса
РЕСУРСЫ:
• Свет, CO2 и Н2О
• Азот, фосфор, железо,
сера, калий,
микроэлементы и др. –
биогенные элементы
Первичная продукция (ПП)
Ресурс в изобилии
Ресурсы
Ресурса меньше, чем
надо для создания
максимальной ПП
ПП
Ресурсы
Максимальная ПП
ПП
Лимитирование ПП
Лимитирующий ресурс
Водные экосистемы Наземные экосистемы
Свет
Свет
Азот
Азот
Фосфор
Фосфор
Железо
Калий
Диатомеи
Кремний
Вода
Продуценты
Чем больше ресурса →
тем больше продукция →
тем больше биомасса
Чем больше консументов
(выедание) → тем
меньше биомасса
Влияние факторов среды на
жизнедеятельность организмов
Зоны оптимума разные у разных видов
Факторы среды, контролирующие ПП
ЧИСТАЯ
ПРОДУКЦИЯ
Температура.
Наземные и водные экосистемы
ПРОДУКЦИЯ
Температура
ВАЛОВАЯ
ДЫХАНИЕ
Температура
Факторы среды, контролирующие ПП
Соленость. Наземные экосистемы
Солерос
европейский
Скорость фотосинтеза у
пшеницы снижается при
увеличении солености
Поливные поля
Засоление почвы
Соленость. Водные экосистемы
Соленость поверхностного слоя Мирового океана, епс
Влажность воздуха. Наземные экосистемы
Первичная
продукция
Для наземных растений вода не только ресурс, но и
контролирующий фактор среды.
Влажность
Испарение воды надземной частью растений –
энергетические потери и потери ресурса.
Трансформация
органического вещества
(чистой первичной
продукции).
Гетеротрофные
организмы консументы
Трансформация
органического вещества за
счет дыхания (потребляется
кислород, выделяется
углекислый газ)
Детритофаги
Питаются мертвым (оформленным)
органическим веществом – детритом. Это
трупы животных, отмершие части
растения, отмершие растения и т.д.
Редуценты
В основном грибы и бактерии
Вторичная продукция
Вторичная продукция — скорость накопления энергии на уровне
консументов и редуцентов, т.е. общее количество органического
вещества, которое произведено всеми гетеротрофами на единицу
площади за единицу времени
+ Редуценты
Чем больше ресурса – тем
больше продукция.
Первичные продуценты
С каждого трофического уровня на
последующий переходит около 10% энергии
Число уровней обычно не превышает 4-5, редко 6
Абиотическая
компонента
Биотическая
компонента
ЗАКОН ОДНОСТОРОННЕГО
ПОТОКА ЭНЕРГИИ В
ЭКОСИСТЕМАХ
Консументы
Редуценты
Продуценты
Солнечная
энергия
Минеральн
ые
вещества
Есть исключения
Растения – «хищники»
Представители
рода непентес
(Nepenthes)
Венерина
мухоловка
Dionaea
muscipula
Общая схема
для всех
экосистем
НО! Каждая экосистема
уникальна!
В чем «уникальность»?
Экосистемы различаются по
«мощности» потока вещества и энергии
Первичная продукция наземных экосистем
Годовая первичная продукция
Дождевые
тропические леса –
10% площади суши
Годовая первичная продукция
Саванны- травянистая растительность с
редко разбросанными деревьями и
кустарниками. Субэкваториальный
климат с резким разделением года на
сухой и дождливый сезоны
Годовая ПП
32%
15
(10
г С)
30%
14%
Наземные экосистемы. Биомасса
консументов
Насекомые и членистоногие - более
80% суммарной биомассы
Годовая ПП - 105
15
∙10
Наземные
экосистемы
гС
Мировой океан
54%
46%
Первичная продукция водных экосистем
0
50
100
150
гС/м2
Годовая ПП
15
(10
г С)
34%
26%
22%
12%
Биомасса основных консументов в водных
экосистемах (зоопланктон)
Экосистемы различаются по
числу видов и видовому составу.
Биоразнообразие.
Что определяет
биоразнообразие?
Лекция «Экосистемы островов»
Какие экосистемы более богаты
видами - высоко продуктивные?
Низко продуктивные?
Дождевые тропические леса ~
½ всего числа видов
(растений и животных) на
Земле
В каждом дождевом
тропическом лесу - более
5000 видов растений
Для сравнения: в тайге редко
более 200 видов
Деревья семейства диптерокарповых в
лесу в Малайзии
«Газонный» эксперимент. 1856 – 1960 гг.
Опытная станция в Англии. Снижение числа видов
растений на удобряемых, более продуктивных делянках
Многие современные работы: максимальное
видовое разнообразие (видовое богатство)
соответствует «промежуточному» уровню
продуктивности («горбатые» кривые)
Разнообразие экосистем
Определяется, в основном, различием в
абиотических условиях
Климат – режим температуры и осадков
Различия величин среднегодовой температуры: от отрицательных до
почти 38 °С
Изменение температуры: выраженная сезонная динамика или ее
отсутствие
Различия в количестве осадков: 0 – 2500 мм в год
Различия в режиме осадков в течение года: равномерное или с
максимумом в определенный сезон
Различное сочетание режимов температуры и осадков –
климатические зоны
арктический
субарктический
умеренный
субтропический
тропический
субэкваториальный
экваториальный
субантарктический
антарктический
Специфика климата – деление наземной части
биосферы на биомы
Биом — биосистема, характерная для обширных
климатических зон (Бигон и др., 1989)
Биом —крупная региональная или субконтинентальная
биосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом
растительности или другой характерной особенностью
ландшафта (Ю.Одум).
Биом —совокупность нескольких экосистем
Почему в качестве критерия выбран «тип
растительности» ?
Тип растительности – группировка определенных видов растений
Относительное постоянство присутствия растений «на
месте», «сидячие» формы
Группировка определенных видов растений обусловливает
возможность существования определенных видов консументов
и редуцентов (животных, бактерий, грибов и т.д.)
Число биомов?
Разные эксперты: от 8 до 42
Разделение биосферы на биомы, а также каждого биома
на отдельные экосистемы – довольно условно, четких
границ нет
Экосистемы
взаимосвязаны и
взаимозависимы
– «открытые»
системы
лесная
переходная
Биомы
Наиболее важные: тундры (арктические и альпийские); тайга;
листопадные леса умеренной зоны (= широколиственные леса);
степи умеренной зоны; тропические степи и саванны; пустыни;
полувечнозеленые сезонные тропические леса («зимнезеленые»
леса); тропические дождевые леса
Количество осадков – основной фактор разделения
биомов на лесные, степные и пустынные.
Годовое количество осадков (мм)
Предел устойчивости :
• Многие деревья ~ 750 мм/год (стрессовая
зона < 1000 мм/год )
• Злаки ~ 250 мм/год
• Кактусы ~ 50 - 100 мм/год
Осадки > 750 мм/год → лесные биомы
Осадки 250 – 750 мм/год → злаковые степи
Саванны:
Африканская
Австралийская
В Южной Америке
(Бразилия)
Осадки 200 – 300 мм/год → степи умеренной зоны
Локальные названия: Степь, прерия, пампа, вельд :
Вельд (Северная
Африка)
Степь (Азия)
Пампа (Южная Америка)
Прерия (Северная
Америка)
Осадки 100 - 250 мм/год → лесостепи, полупустыни
Осадки < 50 - 100 мм/год → пустыни
Феррокактус
Температура – основной фактор выделения
тундры и биома ледяных пустынь
Среднегодовая температура
ниже минус 5 °С
тундра
Температура и ее сезонная динамика определяют
тип лесных биомов:
• Долгая холодная
зима, мощные
снежные осадки →
тайга (хвойные леса:
еловые, пихтовые и
сосновые)
• Зимние температуры минусовые, но не ниже -12 °С →
широколиственные листопадные леса
Среднегодовая температура > 17 °С →
тропические леса
В Южной Америке
В Африке
В Австралии
Вопросы, которые будут
затронуты в лекциях курса
Изменения экосистем во времени:
сезонная динамика и сукцессия
Взаимоотношения между
организмами (популяциями)
Организмы, опасные для человека.
И многое другое!
Экосистемы, живущие не
за счет энергии солнца
Экосистемы, живущие на
энергии хемосинтеза.
ГИДРОТЕРМЫ
срединно океанические хребты
Гидротермы, в основном,
располагаются на больших глубинах
(солнечный свет НЕ проникает) в
районах срединно океанических
хребтов.
Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к
поверхности. Морская вода по трещинам проникает в
океаническую кору на значительную глубину, нагревается
мантийным теплом и концентрируется в магматических камерах.
Далее, внутреннее давление перегретой воды в камерах приводит
к выбросу высокоминерализованных струй из источников на дне
Экосистемы, живущие на энергии хемосинтеза.
Черные и белые курильщики
Хемолитоавтотрофные бактерии
(сернистые бактерии):
H2S + O2 → H20 + сера (или
серная кислота)
Вестиментиферы
(многощетинковые черви)
Симбиоз с хемобактериями:
жабры
вестиментиферы
Из хитиновых трубок торчат красные
жаберные лепестки, через которые
проникают в кровь сероводород и
углекислый газ
Краб и моллюски
во взрослом
состоянии нет рта
и кишечника
Трофосома с
хемобактериями
помпейский червь
Полихеты, живут в трубочках.
Ярко-красное тело, имеют нормально развитый кишечник и лишены
внутриклеточных симбионтов. Зато поверхность тела у них покрыта слоем
хемосинтезирующих бактерий, которые выделяют органические вещества во
внешнюю среду - в пространство между трубкой и телом червя. Черви
способны всасывать эти вещества через покровы тела. Вероятно, Помпейские
черви питаются как за счет отфильтровывания бактерий из воды и
переваривания их в кишечнике, так и за счет всасывания веществ,
выделяемых поверхностными симбиотическими бактериями
~500 видов животных, питающихся разными
пищевыми объектами
Вестиментиферами питаются
крабы Битогрэи (Bythograea).
Крабы Цианогрэя (Cyanograea)
живут на поселениях
Помпейских червей и питаются
ими.
креветки
Краб и моллюски
В гидротермальных
оазисах найдены
представители некоторых
групп животных,
считавшихся вымершими
более сотни миллионов
лет назад. Такие формы
обычно называют
"живыми ископаемыми".
Например, к их числу
принадлежат сидячие
усоногие ракообразные
из рода Неолепас
(Neolepas)
Спасибо за
внимание!