Презентация на тему «Экосистемы и биоценозы»

Слайд 1. Экосистемы и биоценозы

• Структура, функционирование и устойчивость природных сообществ

Доклад: Здравствуйте! Тема нашей презентации — «Экосистемы и биоценозы». Речь пойдёт о том, как живые организмы объединяются в сообщества, как эти сообщества связаны с неживой природой и почему они способны существовать веками без вмешательства извне. Мы разберём структуру экосистемы, потоки энергии и вещества в ней, а также причины, по которым устойчивые природные сообщества сегодня разрушаются.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Ключевые понятия
• Учёные, создавшие учение об экосистемах
• Биотоп и биоценоз
• Функциональные группы организмов
• Трофические уровни
• Цепи питания
• Правило десяти процентов
• Круговорот веществ
• Экологическая ниша
• Видовое богатство сообществ
• Ярусность лесного биоценоза
• Коралловый риф — рекорд разнообразия
• Биогеоценоз и агроценоз
• Экологическая сукцессия
• Зарастание скального субстрата
• Вклад экосистем в первичную продукцию
• Устойчивость экосистемы
• Причины деградации экосистем
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Вот план нашего выступления. Сначала мы определим базовые понятия и вспомним учёных, которые их ввели, затем перейдём к внутреннему устройству сообщества — функциональным группам, трофическим уровням и цепям питания. Далее рассмотрим энергетику и круговорот веществ, пространственную структуру и развитие экосистем во времени, а в конце обсудим устойчивость и антропогенное воздействие.

Слайд 3. Введение

• Живые организмы никогда не существуют поодиночке: они объединены в сообщества и связаны с неживой природой потоками вещества и энергии.
• Понятия «биоценоз» и «экосистема» — базовые в общей экологии: через них описывают лес, озеро, коралловый риф и даже пшеничное поле.
• Знание законов функционирования экосистем нужно для прогноза последствий вырубок, осушения болот и вселения чужеродных видов.
• Тема составляет основу природоохранной деятельности, лесного и сельского хозяйства, рационального природопользования.

Доклад: Начнём с того, почему эта тема важна. В природе не существует организмов, живущих сами по себе: даже одиночный лишайник на камне связан с воздухом, влагой и породой, которую он разрушает. Понятия «биоценоз» и «экосистема» дают нам универсальный язык описания любого природного объекта — от лужи до тайги. Без этого языка невозможно предсказать, что случится с территорией после вырубки леса или осушения болота.

Слайд 4. Ключевые понятия

• Биоценоз — исторически сложившаяся совокупность популяций разных видов, населяющих однородный участок среды.
• Биотоп — участок неживой среды с относительно однородными условиями, который занимает биоценоз.
• Биогеоценоз — единство биоценоза и биотопа в границах одного растительного сообщества (термин В. Н. Сукачёва, 1942 год).
• Экосистема — любая система из организмов и среды, связанных обменом веществ и энергии; её границы задаёт исследователь.
• Биосфера — глобальная экосистема планеты, охватывающая все области распространения живого вещества.

Доклад: Разберём ключевые термины, потому что их часто путают. Биоценоз — это только живая часть, сообщество популяций разных видов. Биотоп — участок неживой среды, который они занимают. Их единство Владимир Николаевич Сукачёв назвал биогеоценозом, а более широкий и гибкий термин «экосистема» позволяет применять этот подход к объекту любого масштаба — от гнилого пня до всей биосферы.

Слайд 5. Учёные, создавшие учение об экосистемах

• Карл Август Мёбиус, 1825–1908, Немецкий зоолог, в 1877 году ввёл понятие «биоценоз», изучая устричные банки Северного моря.
• Артур Джордж Тенсли, 1871–1955, Британский ботаник, в 1935 году предложил термин «экосистема» как единство организмов и среды.
• Владимир Николаевич Сукачёв, 1880–1967, Российский геоботаник, автор учения о биогеоценозе и основатель биогеоценологии.
• Владимир Иванович Вернадский, 1863–1945, Создатель учения о биосфере и геологической роли живого вещества планеты.

Доклад: За каждым из этих терминов стоит конкретный учёный. Немецкий зоолог Карл Мёбиус, изучая устричные банки Северного моря, в 1877 году заметил, что виды там подобраны не случайно, и назвал такое сообщество биоценозом. Англичанин Артур Тенсли в 1935 году предложил термин «экосистема», подчеркнув неразрывность организмов и среды. Сукачёв обосновал учение о биогеоценозе, а Вернадский поднял ту же логику до планетарного масштаба в учении о биосфере.

Слайд 6. Биотоп и биоценоз

• Биотоп — климат, рельеф, почва, вода и другие условия неживой среды
• Биоценоз — растения, животные, грибы и микроорганизмы участка
• Биогеоценоз

Доклад: Схема наглядно показывает соотношение понятий. Слева — биотоп: климат, рельеф, почва, вода, то есть условия неживой среды. Справа — биоценоз: растения, животные, грибы и микроорганизмы. Там, где они пересекаются и работают как единое целое, обмениваясь веществом и энергией, мы говорим о биогеоценозе. Разделить эти части можно только мысленно: в природе они существуют совместно.

Слайд 7. Функциональные группы организмов

• Экосистема работает как единый механизм: одни организмы создают органическое вещество, другие его потребляют, третьи возвращают элементы в почву и воду.
• Зелёные растения
• Водоросли
• Цианобактерии
• Хемосинтезирующие бактерии
• Растительноядные
• Хищники
• Всеядные
• Паразиты
• Бактерии гниения
• Плесневые грибы
• Актиномицеты
• Детритофаги почвы

Доклад: Внутри сообщества все организмы делятся на три функциональные группы. Продуценты — зелёные растения, водоросли и бактерии — создают органическое вещество из неорганического. Консументы его потребляют: растительноядные питаются растениями, хищники — животными. Редуценты — бактерии гниения и грибы — разлагают мёртвую органику до минеральных солей. Уберите любую группу, и экосистема остановится: без редуцентов планету завалило бы неразложившимися остатками.

Слайд 8. Трофические уровни

• Каждый следующий уровень получает энергию только от предыдущего.
• Численность и биомасса обычно убывают снизу вверх.
• В наземных сообществах пирамида биомассы всегда сужается кверху.
• В океане она бывает перевёрнутой: фитопланктон обновляется за считанные дни.
• Число уровней редко превышает четыре-пять из-за потерь энергии.
• Консументы третьего порядка — крупные хищники на вершине пищевой пирамиды
• Консументы второго порядка — хищники, поедающие растительноядных животных
• Консументы первого порядка — растительноядные потребители живой фитомассы
• Продуценты — автотрофы, создающие первичное органическое вещество

Доклад: Расположив эти группы по порядку питания, мы получим трофические уровни — экологическую пирамиду. В основании всегда продуценты, выше растительноядные, ещё выше хищники. Численность и биомасса при движении вверх, как правило, убывают. В океане пирамида биомассы бывает перевёрнутой: фитопланктон весит меньше своих потребителей, но обновляется каждые несколько дней. Именно потери энергии ограничивают высоту пирамиды четырьмя-пятью уровнями.

Слайд 9. Цепи питания

• Перенос вещества и энергии от организма к организму образует цепи питания; в природе они переплетаются в разветвлённые пищевые сети.
• Начинается с живых зелёных растений
• Клевер → шмель → полёвка → горностай
• Преобладает в степях, на лугах и в водоёмах
• Хорошо заметна и легко прослеживается
• Начинается с мёртвого органического вещества
• Листовой опад → дождевой червь → крот → лисица
• Преобладает в лесах и в почве
• В лесу через неё проходит до 90 % энергии

Доклад: Связи между уровнями образуют цепи питания. Пастбищная цепь начинается с живого растения: клевер — шмель — полёвка — горностай. Детритная стартует с мёртвого органического вещества: опад — дождевой червь — крот — лисица. В лесу именно детритный путь основной — через него проходит до девяноста процентов энергии. В природе цепи не изолированы, а переплетаются в разветвлённые пищевые сети.

Слайд 10. Правило десяти процентов

• Э₂ = Э₁ × 0,1
• Э₁ — энергия, запасённая на предыдущем трофическом уровне, кДж
• Э₂ — энергия, переходящая на следующий уровень, кДж
• 0,1 — доля переданной энергии: около 90 % рассеивается на дыхание и теплоотдачу
• Закономерность обосновал Раймонд Линдеман в 1942 году по данным озёрных экосистем

Доклад: Почему цепь питания не бывает бесконечной, объясняет правило десяти процентов. При переходе на следующий трофический уровень сохраняется примерно десятая часть энергии, а остальное рассеивается на дыхание и теплоотдачу. Закономерность обосновал Раймонд Линдеман в 1942 году на материале озёрных экосистем. Из неё следует практический вывод: растительная пища энергетически выгоднее животной.

Слайд 11. Круговорот веществ

• Запас химических элементов на планете конечен, поэтому жизнь возможна лишь при их многократном использовании.
• Растения извлекают из почвы азот, фосфор и калий, а углерод связывают из атмосферы.
• Редуценты возвращают элементы в доступной минеральной форме.
• В зрелых экосистемах круговорот замкнут почти полностью.
• Агроценозы теряют элементы с урожаем, поэтому требуют внесения удобрений.
• Синтез органики
• Потребление
• Отмирание
• Разложение
• Минеральные соли

Доклад: В отличие от энергии, вещество в экосистеме движется по кругу. Растения строят органику из углекислого газа и минеральных солей, животные её потребляют, отмершие остатки поступают в почву, а редуценты возвращают элементы в доступной форме. В зрелом лесу этот круг замкнут почти полностью. А вот с поля мы уносим урожай, разрывая круговорот, — поэтому агроценоз требует ежегодного внесения удобрений.

Слайд 12. Экологическая ниша

• Ниша — это не место, а «профессия» вида: совокупность условий жизни и роль организма в сообществе.
• Ниша многомерна: диапазон температур, состав корма, время активности, места укрытия и размножения.
• По принципу конкурентного исключения Г. Ф. Гаузе два вида с полностью совпадающими нишами не могут устойчиво сосуществовать.
• Большой пёстрый дятел занял нишу собирателя насекомых из-под коры — этот корм почти недоступен другим птицам леса.

Доклад: Место каждого вида в этой системе описывается понятием экологической ниши. Это не адрес, а скорее «профессия»: чем питается вид, когда активен, где укрывается и размножается. Принцип конкурентного исключения Гаузе гласит, что два вида с полностью совпадающими нишами не уживутся. Большой пёстрый дятел — классический пример: он достаёт насекомых из-под коры, и этот корм практически недоступен другим лесным птицам.

Слайд 13. Видовое богатство сообществ

• Число видов растёт от полюсов к экватору и от бедных местообитаний к богатым.
• Виды-доминанты определяют облик сообщества, а редкие виды создают запас его устойчивости.

Доклад: Чем богаче видовой состав, тем сложнее устроено сообщество. График показывает, как растёт число видов растений при движении от тундры к тропическому лесу: от двух сотен до нескольких тысяч. Облик сообщества задают виды-доминанты — например, дуб в дубраве. Но запас прочности создают именно редкие виды: они способны заместить выпавшее звено, когда условия меняются.

Слайд 14. Ярусность лесного биоценоза

• Ярусы различаются освещённостью: под полог дубравы проникает лишь 3–5 % солнечного света.
• Растения разных ярусов не конкурируют напрямую за свет и влагу.
• Каждому ярусу отвечает свой набор животных: птицы крон, кустарников и подстилки.
• Существует и подземная ярусность — корни осваивают разные горизонты почвы.
• Чем больше ярусов, тем полнее используются ресурсы участка.
• Первый ярус — высокие деревья: дуб, сосна, ель, образующие полог
• Второй ярус — низкорослые деревья: рябина, черёмуха, полевой клён
• Третий ярус — подлесок из кустарников: лещина, крушина, бересклет
• Четвёртый ярус — травы и полукустарнички: кислица, копытень, черника
• Пятый ярус — мхи, лишайники и напочвенный опад

Доклад: Разнообразие проявляется и в пространстве — через ярусность. В лесу выделяют полог высоких деревьев, второй древесный ярус, подлесок из кустарников, травяной покров и приземный слой мхов и опада. Под полог дубравы проникает всего три-пять процентов света, и каждый ярус занимают растения со своими требованиями к освещённости. Соответственно распределяются и животные — птицы крон, кустарников и подстилки почти не пересекаются.

Слайд 15. Коралловый риф — рекорд разнообразия

• Рифы занимают менее 0,1 % площади Мирового океана, но дают приют примерно четверти всех морских видов.
• Основа сообщества — симбиоз коралловых полипов с одноклеточными водорослями зооксантеллами, снабжающими их органикой.
• Риф существует лишь в узком диапазоне условий: вода 23–29 °С, солёность около 35 ‰, хорошая освещённость.
• Потепление воды вызывает обесцвечивание кораллов — потерю симбионтов и гибель всего сообщества.

Доклад: Рекорд биологического разнообразия принадлежит коралловым рифам. Занимая менее одной десятой процента площади океана, они дают приют примерно четверти всех морских видов. В основе сообщества — симбиоз полипов с одноклеточными водорослями зооксантеллами. Но рифы крайне уязвимы: при потеплении воды всего на один-два градуса полипы теряют симбионтов, обесцвечиваются и погибают.

Слайд 16. Биогеоценоз и агроценоз

• Агроценоз создан и поддерживается человеком, поэтому подчиняется не только природным, но и хозяйственным законам.
• Без обработки почвы, удобрений и защиты растений агроценоз разрушается за несколько лет.

Доклад: Сравним природное сообщество и созданное человеком. Таблица показывает: биогеоценоз живёт только за счёт солнца, включает сотни видов и имеет замкнутый круговорот. Агроценоз получает дополнительную энергию человека, состоит из одного-трёх видов, теряет элементы с урожаем и держится на искусственном отборе. Стоит прекратить обработку — и поле за несколько лет зарастает сорняками, а затем кустарником.

Слайд 17. Экологическая сукцессия

• Сукцессия — закономерная смена сообществ на одной территории, ведущая к устойчивому климаксному состоянию.
• Идёт там, где жизни не было: застывшая лава, скалы, песчаные дюны
• Пионеры — накипные лишайники и цианобактерии
• Почва формируется с нуля
• Занимает сотни и тысячи лет
• Идёт на месте разрушенного сообщества: гарь, вырубка, заброшенное поле
• Почва и запас семян в ней сохранились
• Восстановление ускорено в десятки раз
• Лес умеренной зоны возвращается за 100–200 лет

Доклад: Экосистемы не статичны: они закономерно сменяют друг друга. Первичная сукцессия идёт там, где жизни не было вовсе — на застывшей лаве, скалах, дюнах, и почву приходится создавать с нуля, на что уходят тысячелетия. Вторичная начинается на месте разрушенного сообщества: после пожара или вырубки сохраняются почва и запас семян, поэтому лес умеренной зоны восстанавливается за одно-два столетия.

Слайд 18. Зарастание скального субстрата

• Каждая стадия изменяет среду и готовит условия для следующей.
• Полный ряд смен длится от нескольких десятилетий до тысяч лет.
• Лишайники — разрушают породу кислотами и дают первые крупицы почвы
• Мхи — удерживают влагу и накапливают органическое вещество
• Травы — образуют дернину и плодородный горизонт
• Кустарники — затеняют почву, привлекают птиц и насекомых
• Лес — климаксное сообщество со сложной ярусной структурой

Доклад: Классический пример — зарастание голой скалы. Сначала на камень поселяются накипные лишайники, разрушающие породу кислотами. Затем мхи удерживают влагу и накапливают органику, за ними приходят травы, образующие дернину. Следом появляются кустарники, а завершает ряд лес — устойчивое климаксное сообщество. Обратите внимание: каждая стадия меняет среду и тем самым готовит условия для собственной смены.

Слайд 19. Вклад экосистем в первичную продукцию

• Первичная продукция — количество органического вещества, созданного продуцентами за единицу времени.
• Чистая первичная продукция биосферы оценивается примерно в 170 миллиардов тонн сухого вещества в год.

Доклад: Оценить работу экосистем можно через первичную продукцию — массу органики, создаваемую продуцентами. Суммарно биосфера производит около ста семидесяти миллиардов тонн сухого вещества в год. Диаграмма показывает вклад разных сообществ: почти треть дают тропические леса, ещё около четверти — Мировой океан. При этом продуктивность единицы площади в океане намного ниже лесной, а высокая доля объясняется его площадью.

Слайд 20. Устойчивость экосистемы

• Видовое разнообразие — чем больше видов, тем больше запасных звеньев в сообществе
• Разветвлённые пищевые сети — выпадение одного вида компенсируется другими
• Саморегуляция численности — связи «хищник — жертва» удерживают популяции в равновесии
• Замкнутый круговорот — химические элементы используются многократно и не теряются

Доклад: Что делает сообщество устойчивым? Прежде всего видовое разнообразие: чем больше видов, тем больше запасных звеньев. Разветвлённые пищевые сети позволяют компенсировать выпадение отдельного вида. Обратные связи между хищником и жертвой удерживают численность в определённых границах. И наконец, замкнутый круговорот означает, что элементы используются многократно. Обеднённая экосистема из нескольких видов таких механизмов лишена.

Слайд 21. Причины деградации экосистем

• Природные сообщества исчезают быстрее, чем успевают восстанавливаться.
• Утрата одного ключевого вида запускает перестройку всего сообщества.
• Деградация экосистем
• Вырубка лесов — планета ежегодно теряет около 10 миллионов гектаров лесного покрова
• Загрязнение — стоки, пестициды и пластик разрушают пищевые цепи
• Распашка и осушение — природные сообщества сменяются агроценозами
• Чужеродные виды — вселенцы вытесняют местные популяции
• Изменение климата — сдвигаются ареалы и сроки сезонных явлений
• Перепромысел — изъятие превышает скорость восстановления популяций

Доклад: Схема причин собирает основные виды антропогенного воздействия. Планета ежегодно теряет около десяти миллионов гектаров леса. Стоки, пестициды и пластик разрушают пищевые цепи, распашка и осушение заменяют природные сообщества агроценозами, чужеродные виды вытесняют местные, а изменение климата смещает ареалы. Опаснее всего сочетание этих факторов: утрата одного ключевого вида запускает перестройку всего сообщества.

Слайд 22. Выводы

• Биоценоз и биотоп образуют единое целое — биогеоценоз, а более широким и гибким понятием служит экосистема.
• Работу экосистемы обеспечивают продуценты, консументы и редуценты, замыкающие круговорот веществ.
• Поток энергии однонаправлен и затухает: на следующий трофический уровень переходит около 10 % энергии.
• Устойчивость сообщества определяется видовым разнообразием, разветвлённостью пищевых сетей и замкнутостью круговорота.
• Сохранение естественных экосистем — условие устойчивости биосферы и основа рационального природопользования.

Доклад: Подведём итоги. Биоценоз и биотоп образуют единое целое — биогеоценоз, а универсальным понятием служит экосистема. Её работу обеспечивают продуценты, консументы и редуценты, замыкающие круговорот веществ. Поток энергии однонаправлен и затухает примерно вдесятеро на каждом уровне. Устойчивость сообщества держится на разнообразии видов и связей — и именно поэтому сохранение естественных экосистем является условием устойчивости всей биосферы.

Слайд 23. Список литературы

• Бигон, М. Экология. Особи, популяции и сообщества : в 2 томах / М. Бигон, Дж. Харпер, К. Таунсенд. — Москва : Мир, 1989. — 667 с.
• Вернадский, В. И. Биосфера и ноосфера / В. И. Вернадский. — Москва : Айрис-пресс, 2004. — 576 с.
• Одум, Ю. Экология : в 2 томах / Ю. Одум. — Москва : Мир, 1986. — 328 с.
• Реймерс, Н. Ф. Экология: теории, законы, правила, принципы и гипотезы / Н. Ф. Реймерс. — Москва : Россия молодая, 1994. — 367 с.
• Сукачёв, В. Н. Основы лесной биогеоценологии / В. Н. Сукачёв, Н. В. Дылис. — Москва : Наука, 1964. — 574 с.
• Чернова, Н. М. Общая экология : учебник / Н. М. Чернова, А. М. Былова. — Москва : Дрофа, 2004. — 416 с.

Доклад: При подготовке работы использованы классические учебники и монографии по экологии: двухтомники Одума и Бигона с соавторами, справочная работа Реймерса, труд Сукачёва и Дылиса по лесной биогеоценологии, а также учебник Черновой и Быловой по общей экологии. Отдельно отмечу «Биосферу и ноосферу» Вернадского — источник, с которого начинается представление о планетарной экосистеме.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом наше выступление завершено. Мы рассмотрели устройство экосистемы, механизмы её работы и причины разрушения природных сообществ. Спасибо за внимание — готов ответить на ваши вопросы.