Крок до ВНЗ. Біологія. Довідник

ОСНОВИ ЕКОЛОГІЇ. БІОСФЕРА

Екологія — галузь біології, що вивчає взаємодію організмів між собою та з навколишнім середовищем. У процесі еволюції живі організми розселилися по всій земній кулі і пристосувалися до різних умов проживання. У результаті взаємодії живих організмів і середовищ проживання сформувався різноманітний органічний світ Землі. Життєдіяльність організмів, у свою чергу, вплинула на неживу природу, що розвивалася і змінювалася разом із живою. У результаті складних взаємовідносин живої і неживої природи сформувалися різні угруповання, екосистеми, що формують сучасну біосферу.

Екологія як наука вивчає закономірності розвитку екосистем, взаємозв’язки організмів у них, еволюцію угруповань та біосфери. Вона є основою охорони природи, прогнозування і керування екосистемами в умовах науково-технічного прогресу.

Екологічні фактори

На живі організми безпосередньо або опосередковано впливають різні компоненти навколишнього середовища, які називаються екологічними факторами. Умовно їх поділяють на дві групи: абіотичні та біотичні фактори.

Це всі елементи неживої природи, що впливають на органІзм: кліматичні (світло, вологість, температура), ґрунтові, рельєф, атмосферні гази.

Абіотичні фактори

Найважливішим абіотичним фактором є клімат. Від нього залежить тип рослинності в даній місцевості, що, у свою чергу, визначає тваринний світ і форму угруповання. Клімат визначається певними факторами.

Світло. Клімат пов’язаний насамперед із надходженням сонячної енергії. Біологічна дія сонячного світла зумовлена інтенсивністю, спектральним складом, сезонною і добовою періодичністю. У зв’язку з цим у живих організмів пристосування також мають сезонний та добовий характер.

Ультрафіолетові промені згубно впливають на все живе. Основна частина цього випромінювання затримується озоновим екраном атмосфери, тому живі організми поширені у просторі, обмеженому озоновим шаром. Проміння видимого спектру необхідне рослинам: завдяки йому відбувається фотосинтез. Для тварин і людини видимі промені — важливий фактор, що визначає ступінь активності.

Інфрачервоні промені є джерелом теплової енергії, але не сприймаються оком людини і більшості тварин. Вони добре поглинаються тканинами організму, від чого організм нагрівається. Велике значення мають ці промені для холоднокровних тварин (комах, плазунів), які використовують їх для підвищення температури тіла.

Сонячна енергія бере участь у створенні світлового режиму, що змінюється залежно від географічної широти та рельєфу. У зв’язку з обертанням Землі світловий режим має чітку добову та сезонну періодичність. Реакція організму на добовий режим освітлення в результаті періодичної зміни визначеної тривалості дня і ночі називається фотоперіодизмом. Фотоперіодичність пов’язана з механізмом біологічного годинника, суть якого полягає у здатності організму до циклічних змін функцій. Біологічні годинники визначають фізіологічні ритми відповідно до змін у навколишньому середовищі. У рослин добовий фотоперіодизм регулює процеси фотосинтезу. У тварин виникли пристосування до денного та нічного способу життя.

Сезонний ритм — реакція організму на зміну пір року, що регулюється. З настанням короткого осіннього дня рослини скидають листя і готуються до зимового спокою. Зимовий спокій — пристосувальна властивість багаторічних рослин, для яких характерне припинення росту, відмирання наземних пагонів (у трав’янистих) або падолист (у дерев та чагарників), сповільнення або припинення багатьох процесів життєдіяльності. У тварин взимку спостерігається значне зниження активності. Сигналом до масового відльоту птахів служить зміна тривалості світлового дня. Багато тварин впадають у зимову сплячку — пристосування для перенесення несприятливої зимової пори року.

Температура — важливий фактор, що впливає на життєві процеси. Всі процеси життєдіяльності в організмів проходять за певної температури тіла, оптимальне значення коливається в межах +10... +40 °С. Лише деякі організми пристосовані до життя за дуже високих або низьких температур. Залежно від механізмів підтримання сталої температури тіла тварини поділяються на пойкілотермних та гомойотермних.

Пойкілотермні — холоднокровні тварини з непостійною температурою тіла. У них підвищення температури навколишнього середовища спричиняє сильне прискорення усіх фізіологічних процесів, змінює активність поведінки. Так, ящірки віддають перевагу температурній зоні +37 °С. З підвищенням температури прискорюються стадії розвитку деяких тварин. Для багатьох холоднокровних тварин характерний анабіоз — тимчасовий стан організму, під час якого життєві процеси істотно сповільнюються і відсутні видимі ознаки життя.

Гомойотермні — теплокровні тварини зі сталою температурою тіла. Вони мають найбільш досконалу терморегуляцію і менш залежні від температури середовища. Здатність підтримувати сталу температуру тіла є важливою екологічною пристосованістю тварин, таких як птахи і ссавці.

Для рослин температурний режим також має велике значення. Найбільш інтенсивно процес фотосинтезу відбувається в діапазоні +15... +25 °С. Для перенесення низьких температур (нижче 0 °С) у рослин існують спеціальні механізми, що дозволяють запобігати замерзанню води в клітинах. Так, узимку тканини рослин містять концентровані розчини цукрів, гліцеролу та інших речовин, що перешкоджають замерзанню води.

Вологість. Необхідною умовою існування всіх організмів на землі є наявність води. Вона відіграє винятково важливу роль у всіх процесах життєдіяльності клітини. Регуляція водного балансу є основною фізіологічною функцією організму. З погляду екології вода є основним лімітувальним чинником як для наземних, так і для водних організмів, де висока солоність сприяє її втраті. Вологість на земній поверхні розподіляється неоднаково. Більшість наземних рослин і тварин вологолюбні, а тому нестача води часто є причиною, що обмежує поширення організмів.

Для рослин наявність води є одним з основних екологічних чинників, що регулюють ріст і розвиток. Екологічні групи рослин по відношенню до води:

— ксерофіти — це рослини, що зростають в умовах з недостатнім зволоженням (наприклад кактус, наземні лишайники);

— мезофіти — це рослини помірно-зволожених місць зростання (наприклад копитняк, брусниця, плауни, тимофіївка);

— гігрофіти — це рослини, що зростають в умовах надмірного зволоження (наприклад герань лугова, горець зміїний, м’ята польова).

Пристосування до нестачі вологи в них особливо яскраво виражені (колючки, довгі корені, соковиті стебла).

Фактор вологості має велике значення і для тварин. Більшість мешканців пустелі здатні обходитися без води досить довго. Це верблюди, антилопи, кулани, сайгаки. Мешканці посушливих місць ведуть нічний спосіб життя, тим самим уникаючи перегрівання і випаровування води в денний час.

Для рослин і тварин, що живуть у періодично посушливих умовах, характерне зниження життєвої активності, фізіологічний спокій у період відсутності вологи. Рослини можуть скидати листя спекотного сухого літа, іноді в них цілком відмирають наземні пагони.

Тварини з настанням спекотного і сухого періоду можуть впадати в літню сплячку (бабаки), а деякі види — у стан анабіозу.

Ґрунт — середовище проживання для багатьох мікроорганізмів і тварин, у ньому закріплюються корені рослин та гіфи грибів. Одним із основних чинників для ґрунтових мешканців є його структура, хімічний склад, вологість, наявність поживних речовин.

Біотичні фактори

Біотичні фактори це різні форми взаємодії між особинами в популяції і між популяціями в угрупованнях.

Під біотичними факторами розуміють різноманітні зв’язки організму з іншими організмами. Такі зв’язки можуть бути внутрішньовидовими і міжвидовими. Внутрішньовидові взаємини різноманітні і, у кінцевому рахунку, спрямовані на збереження популяції. До них належать взаємини між особинами різних статей, конкуренція за життєві ресурси, різні форми поводження.

При спільному проживанні організмів біотичні фактори взаємодіють між собою і мають різноманітний характер.

Нейтралізм — взаємозв’язки між різними видами, які незалежні один від одного при спільному проживанні на одній території (наприклад, білка і лось).

Конкуренція — тип взаємовідношень, що виникає у двох видів зі схожими потребами при спільному проживанні на одній території. Присутність одного виду або організму зменшує харчові ресурси, скорочує територію розселення іншого. Наприклад, пригнічення рослин нижнього ярусу в лісі, конкуренція різних видів гризунів, що живуть на одному полі, лузі, хижаків одного лісу тощо. У результаті слабший конкурент гине або витісняється сильнішим.

Хижацтво — взаємодія особин, за якої одна з них (хижак) негативно впливає на іншу (жертву). Хижаки, живлячись, знищують свою жертву. Стосунки хижака та жертви складалися у процесі еволюції. Хижаки виступають як природні регулятори чисельності популяції жертви. Збільшення чисельності хижака призводить до зменшення популяції жертви. У свою чергу, зменшення чисельності жертв призводить до зменшення кількості хижаків, яким не вистачає їжі. Приклад — взаємовідносини зайця і вовка.

Паразитизм — форма взаємин, за яких один вид живе за рахунок іншого, використовуючи його не тільки як джерело живлення, але і як місце проживання. До паразитів належать багато бактерій, гриби, найпростіші, черви. Паразит, на відміну від хижака, не знищує свою жертву, а живиться за її рахунок і завдає шкоди тривалий час.

Симбіоз — тип взаємовідносин організмів різних видів в угрупованні, за якого обидва організми (симбіонти) мають від цього певну вигоду. Наприклад, співжиття рака-самітника й актинії, гриба та водорості в лишайнику, вищих рослин із грибами, а також водоростей із мохами або квітковими рослинами.

Коменсалізм — форма взаємин між двома видами організмів, коли один із них (коменсал) користується певними перевагами за рахунок іншого, не завдаючи йому прямої шкоди. Коменсал може використовувати хазяїна як місце оселення, засіб пересування або живитися рештками його їжі. Так, багато джгутикових і амеб, які живуть у кишечнику вищих тварин і людини, живляться, в основному, бактеріями і не спричинюють захворювання хазяїна. Коменсалізмом є оселення рослин-епіфітів на корі дерев. Коменсалізм дуже поширений у природі і є формою симбіозу.

Отже, в біоценозі між організмами спостерігаються різноманітні форми взаємовідносин, які ґрунтуються на трофічних, просторових та інших видах взаємозв’язків, регулюють чисельність популяції і визначають стабільність угруповання.

Антропічні фактори

Антропічні фактори зумовлені існуванням людини, її трудовою діяльністю, яка змінює природне середовище і тим самим впливає на живі організми і чисельність їхніх популяцій.

В умовах науково-технічного прогресу значно ускладнились взаємовідносини суспільства з природою. Людина отримала можливість впливати на хід природних процесів, підкорила сили природи, почала опановувати майже всі доступні відновні і невідновні природні ресурси, але разом з тим забруднювати і руйнувати довкілля.

За оцінкою Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ), із більш ніж 6 млн відомих хімічних сполук використовується на практиці до 500000 сполук; із них близько 40000 мають шкідливі для людини властивості, а 12000 є токсичними.

До кінця XX ст. забруднення навколишнього середовища відходами, викидами, стічними водами всіх видів промислового виробництва, сільського господарства, комунального господарства міст набуло глобального характеру і поставило людство на грань екологічної катастрофи.

Втручання людини у природні процеси з розвитком цивілізації постійно та стрімко зростає і може спричиняти зміну режиму ґрунтових і підземних вод у цілих регіонах, поверхневого стоку, структури ґрунтів, інтенсифікацію ерозійних процесів, активізацію геохімічних та хімічних процесів у атмосфері, гідросфері та літосфері, зміни мікроклімату тощо. Сучасна діяльність, наприклад, будівництво гідротехнічних споруд, шахт, рудників, доріг, свердловин, водойм, дамб, деформація суші ядерними вибухами, будівництво гігантських міст, обводнення і озеленення пустель та інші повсякденні аспекти діяльності людини вже спричинили значні видимі і приховані зміни довкілля.

ЦЕ ЦІКАВО

За даними Міністерства природних ресурсів і екології, у нашій країні щороку утворюється майже 2 млрд т різних відходів, 2/3 з яких розкривні, шахтні та інші гірські породи. Тільки переробка сільськогосподарської сировини дає щороку 450 млн т відходів. Зростання населення і масштабів виробництва спричинило виникнення регіональних екологічних проблем. Головними причинами екологічної напруги стали: широкомасштабна розробка надр і видобуток мінеральної сировини (Кривий Ріг, Донбас, Львівсько-Волинський басейн, Прикарпаття); спорудження каскаду водосховищ на Дніпрі, що призвело до замулення його природної екосистеми; катастрофа на Чорнобильській АЕС; необмежене нарощування в минулі десятиріччя потужностей атомної енергетики; необгрунтоване осушення заболочених і перезволожених територій на Поліссі; надмірна концентрація виробництва у містах, особливо великих; відставання темпів лісовідновлення від вирубки лісів на Поліссі та в Карпатах; масове проведення зрошувальних меліорацій у Причорномор'ї, що призвело до процесів засолення, зменшення родючості грунтів і виснаження водних ресурсів.

Встановлено, що стан водних ресурсів 44% басейнових річок Дніпровської системи є катастрофічним. Вода в більшості річок класифікується як забруднена і брудна за хімічними та бактеріальними показниками. Перевищення гранично допустимих концентрацій забруднювальних речовин у водних об'єктах спостерігається практично на всій території Дніпровської системи, в багатьох з них стан екологічних систем визначають як початок екологічного регресу.

Дуже забруднені також басейни річок Західного Бугу, Приазов'я, Сіверського Дінця. Середньорічний вміст забруднювальних речовин у воді цих річок значно перевищує гранично допустимий рівень (ГДК), а за деякими інгредієнтами сягає 10 ГДК і більше.

Зростає також вплив інтенсивної господарської діяльності людини на підземні води. Найбільші порушення в гідрогеохімічній обстановці спостерігаються в економічно розвинених районах Дніпропетровської та Запорізької областей з високим рівнем розвитку промисловості та великою густотою населення. Головними джерелами забруднення є накопичувачі промислових та побутових рідких і твердих відходів, мінералізовані шахтні та рудникові води, мінеральні добрива, засоби захисту рослин, накопичувачі відходів на тваринницьких комплексах і фермах. З накопичувачів у підземні води потрапляють розчини різних солей, нафтопродукти, ароматичні речовини та ін.

У грунтових водах Донбасу виявлено значні перевищення концентрацій (до 60 ГДК) Арсену і Плюмбуму, в Придністров'ї — високотоксичного Талію (5001000 ГДК). В цілому в Україні існує 193 стабільних осередки забруднення підземних вод.

Азовське море сьогодні є зоною екологічної катастрофи. Ще 4050 років тому в ньому виловлювали риби в 35 разів більше, ніж у Чорному морі, і в 12 разів більше, ніж у Балтійському. Раніше тут водилася риба 114 видів, загальний вилов її у сприятливі роки становив понад 300 тис. т на рік, переважно цінних порід. Тепер він зменшився в 6 разів. Риба, яку виловлюють, і настільки забруднена хімікатами, що споживати її небезпечно.

Взаємодія факторів

На організми завжди діє комплекс факторів навколишнього середовища. Найбільш сприятлива для організму інтенсивність екологічного фактора називається оптимальною, або оптимумом. Відхилення від оптимального фактора призводить до пригнічення життєдіяльності організму. Граничні значення інтенсивності дії фактора називаються межами витривалості. Для будь-якого організму та всього виду існують свої межі за кожним екологічним фактором. Фактор середовища, дія якого виходить за межі витривалості організму, називається лімітувальним (обмежувальним).

Оптимум відображує особливості умов проживання різних видів. Чим ширша межа (діапазон) витривалості, тим гнучкіший організм. Межі витривалості відповідно до різних екологічних чинників в організмів неоднакові. Вузькопристосовані види менш пластичні і мають невеликий діапазон витривалості, широко пристосовані — більш пластичні й у них відзначається широкий діапазон витривалості до коливань факторів середовища.

Взаємодія різних екологічних факторів полягає в тому, що зміни інтенсивності одного можуть знизити межу витривалості до іншого фактора або, навпаки, збільшити її. Наприклад, оптимальна температура підвищує витривалість до нестачі вологи та їжі.

Сукупність факторів середовища (абіотичних та біотичних), необхідних для існування виду, називається екологічною нішею, що характеризує спосіб життя організму, умови його проживання та живлення.

Поняття «вид» та «популяція»

Вид — сукупність особин, що характеризуються спадковою подібністю морфофізіологічних особливостей, вільно схрещуються і дають плодюче потомство, пристосовані до певних умов життя і займають визначений ареал. Види біологічно ізольовані один від одного. Структурною одиницею виду є популяція.

Популяція — відносно ізольована група особин одного виду, що має спільну генетичну основу і населяє певний ареал. Види складаються з безлічі популяцій, кожна з яких займає певну територію, частину ареалу виду.

Критерії виду

Морфологічний — схожість зовнішньої і внутрішньої будови організмів одного виду. Критерій не абсолютний, тому що існують види-двійники, статевий диморфізм особин одного виду, породи і сорту, що значно відрізняє їх один від одного.

Генетичний — характеризує кількість і структуру хромосом виду, його каріотип. Кожен вид має чітко визначений набір хромосом. Види-двійники відрізняються за кількістю хромосом. Критерій не абсолютний, тому що в межах одного виду кількість хромосом може змінюватися в результаті мутацій.

Фізіологічний — визначає схожість процесів життєдіяльності і можливість схрещування. Особини різних видів, як правило, не схрещуються і не дають плодючого потомства, однак є винятки. Між деякими різними видами можлива гібридизація.

Біохімічний — дає можливість розрізняти види за біохімічними параметрами (будовою білків і нуклеїнових кислот). Однак наявність мутаційної мінливості веде до синтезу різноманітних білків, тому критерій не абсолютний.

Географічний — визначає область поширення виду. Однак існують види з розірваним ареалом і види з великим ареалом поширення. Різні види можуть займати один ареал.

Екологічний — визначає умови існування виду, його екологічну нішу, місце існування в біоценозі. Але в одній екологічній ніші можуть існувати різні види. Часто види-двійники займають різні екологічні ніші.

Немає жодного абсолютного критерію, тому для характеристики виду використовують сукупність кількох критеріїв.

Основні властивості популяцій

У природі будь-який біологічний вид складається з великої кількості популяцій, які так чи інакше ізольовані одні від одних. З екологічної точки зору популяція розглядається як основна ланка угруповання живих організмів. Вона має характерні ознаки.

Просторова структура популяції — визначається характером розміщення організмів у межах території. Часто особини популяції об’єднуються у групи, скупчення, стада, сім’ї, табуни.

Чисельність популяції — кількість особин, які належать до однієї популяції. Показником чисельності є щільність популяції, тобто середня кількість особин на одиницю площі або одиницю об’єму.

Народжуваність — здатність особин популяції до відтворення, частота появи особин за одиницю часу. Смертність — кількість особин, що загинула за одиницю часу, тобто швидкість зменшення чисельності популяції.

Вікова структура популяції характеризується співвідношенням особин різного віку, що змінюється з часом. У стійкій популяції народжуваність та смертність приблизно однакові, чисельність популяції зберігається на одному рівні, а тому співвідношення різновікових груп однакове. У популяції, де кількість її особин збільшується, народжуваність переважає смертність і чисельність популяції зростає.

Статева структура визначається кількістю самців і самок.

Динаміка популяції — зміни чисельності, статевої та вікової структури популяції, які визначаються внутрішньопопуляційними процесами і взаємодією популяцій різних видів. Сприятливі кліматичні умови, достатня кількість їжі, послаблення хижацтва веде до росту плодючості та народжуваності, збільшення чисельності.

Гомеостаз популяції — здатність популяції підтримувати відносну стабільність і цілісність генотипової структури при зміні умов середовища. Популяція здатна до саморегуляції для підтримання чисельності, вікової та статевої структур. Одним із найголовніших факторів впливу на популяцію є антропогенний. Людина безпосередньо чи опосередковано може зменшувати або збільшувати чисельність популяції.

Властивості і типи біогеоценозів

У природі всі живі організми утворюють комплекси, функціональну єдність угруповання організмів і навколишнього середовища. Склад угруповань зумовлений поєднанням абіотичних факторів, а також взаємовідносинами різних організмів, що входять до нього і об’єднані спільними потребами. Зв’язок між ними забезпечує живлення, захист, розмноження всіх мешканців угруповання. В результаті такої взаємодії організмів і середовища їх проживання утворюється екологічна система. Основними властивостями екологічної системи є її цілісність і відносна стійкість, що виявляється у здатності до саморегуляції і самооновлення.

Біогеоценоз — сукупність природних компонентів, пов'язаних обміном речовин і енергії, на певній ділянці поверхні землі з більш-менш однорідними умовами існування. У біогеоценозі розрізняють екотоп та біоценоз. Екотоп характеризується складом грунту та гірських порід, рельєфом, кліматичними та гідрологічними умовами, що визначають характер угруповання. Біоценоз — сукупність рослин, тварин і мікроорганізмів у межах певного екотопу. Біогеоценоз являє собою цілісну, відносно стійку систему, здатну до саморегуляції.

Природні біоценози мають складну структуру. Вони характеризуються рядом показників: видова різноманітність, щільність популяцій, біомаса тощо.

Видова різноманітність — кількість видів живих організмів, що входять до біоценозу і визначають різні трофічні рівні в ньому. Кількість видових популяцій визначається кількістю особин даного виду на одиниці площі. Деякі види в угрупованнях є домінантними, їх чисельність перевищує чисельність інших видів. Якщо в угрупованні домінує кілька видів, а щільність інших невисока, то різноманітність низька. Якщо при тому самому видовому складі чисельність кожного з них рівна, тоді видове різноманіття високе.

Біомаса — сумарна маса організмів у популяції або біоценозі на момент спостереження, виражена в одиницях маси, що припадає на одиницю площі або об’єму (г/м², кг/га, г/м³ тощо). Сумарна біомаса Землі складає 2,43 х 1012 т. Величина біомаси залежить від особливостей виду, його біології. Наприклад, в організмів з коротким життєвим циклом (мікроорганізмів) біомаса невисока порівняно з довговічними організмами, які відкладають у свої тканини велику кількість органічних речовин (дерева, кущі, великі тварини).

Усі біоценози мають схожу структуру. Основу їх утворюють рослинні угруповання — фітоценози, які у процесі фотосинтезу продукують органічні речовини. Фітоценоз є динамічною системою, якій властива сезонна і різнорічна мінливість компонентів під впливом екологічних факторів. Іншу частину біоценозу складають тварини (травоїдні та м’ясоїдні) — зооценоз. Зооценоз — сукупність взаємопов’язаних і взаємозалежних видів тварин, які заселяють певний біотоп. До біоценозу входять організми, які мінералізують органічні речовини, — бактерії і гриби.

Біотичну частину біогеоценозу складають три групи організмів, які пов’язані між собою трофічними зв’язками: продуценти, консументи та редуценти.

Продуценти — автотрофи, зелені рослини, здатні синтезувати (продукувати) органічні речовини з неорганічних, акумулюючи при цьому сонячну енергію.

Консументи — організми, які живляться готовими органічними речовинами, створеними фотосинтезувальними або хемосинтезувальними видами (продуцентами). Це всі тварини, людина, частина мікроорганізмів, паразитичні та комахоїдні рослини. Розрізняють консументи першого порядку, які живляться рослинною їжею, і консументи другого, третього та вищих порядків, які живляться тваринною їжею. Усі консументи використовують енергію хімічних зв’язків, акумульовану в органічних речовинах продуцентів.

Редуценти — гетеротрофні організми, в основному бактерії та гриби, які в процесі життєдіяльності перетворюють органічні залишки в неорганічні речовини. Редуценти є завершальною ланкою у кругообігу речовин, утворююють неорганічні речовини для включення їх у новий цикл.

Отже, у процесі життєдіяльності організмів відбувається безперервний кругообіг енергії у природі, причому кожен вид використовує лише частину енергії, нагромадженої в органічних речовинах. У результаті формуються ланцюги живлення, які являють собою взаємозв’язки видів, поєднаних харчовими відносинами, що створює певну послідовність у передачі речовин та енергії. Кожна попередня ланка є певною мірою поживою для наступної.

Взаємозв’язки в ланцюгах живлення проходять за схемою 1 (див. схему 1 Додатку).

На кожній наступній ланці ланцюга значна частина енергії у вигляді тепла втрачається, що обмежує кількість ланок у ланцюгу живлення. Але будь-який ланцюг починається рослинами (продуцентами) і закінчується хижаком, причому найбільшим. Редуценти руйнують речовини на кожному рівні і є останніми, заключними у харчовому ланцюзі.

Правило екологічної піраміди

Внаслідок втрати енергії кількість утворюваної органічної речовини на кожному наступному трофічному рівні в ланцюзі живлення зменшується. В середньому коефіцієнт корисної дії кожної ланки не перевищує 10%, тому типовий ланцюг живлення складається не більше ніж із 4-6 взаємопов’язаних харчових рівнів.

На основі правила співвідношення різних видів рослин і тварин у природних і штучних екосистемах розрізняють три типи екологічних пірамід. Піраміда чисел — відображає кількість особин на кожному рівні ланцюга живлення. Піраміда біомаси — кількісне співвідношення органічної речовини, синтезованої на кожному рівні. Піраміда енергії показує кількість енергії у послідовних трофічних рівнях.

Трофічні ланцюги є основними у взаємовідносинах у живій природі, але не єдиним видом взаємозв’язків між організмами. Одні види можуть брати участь у розповсюдженні, розмноженні, поширенні інших видів, створюючи умови для їх проживання. Саме завдяки багатогранним і численним зв’язкам між організмами і навколишнім середовищем існують види, здатні до саморегуляції у стійкій екосистемі.

Співвідношення продуктивності та біомаси відрізняється у різних організмів. Навіть у різних біоценозах продуктивність неоднакова. Вона залежить від сонячної енергії, ґрунту, клімату. Найнижчою біомасою і продуктивністю характеризуються пустелі та тундра, найвищою — вологі тропічні ліси. Порівняно з суходолом біомаса Світового океану значно нижча, хоча на нього припадає 71% поверхні планети. Це пов’язано з низьким вмістом поживних речовин. У прибережних зонах біомаса значно більша.

У біоценозах розрізняють два типи трофічних ланцюгів: пасовищний та детритний. Ланцюги живлення пасовищного типу починаються зеленими рослинами (продуцентами), продовжуються послідовно через ланки рослиноїдних тварин (консументів І порядку), хижаків (консументів II, III порядку) і завершуються редуцентами.

Якщо потік енергії починається з мертвих рослин і тваринних залишків, їх екскрементів і переходить до первинних детритофагів (редуцентів), які розкладають органічні речовини, то такий ланцюг називається детритним, або розкладаючим. До первинних детритофагів належать мікроорганізми (бактерії, гриби) і дрібні тварини (черви, личинки, комахи).

У наземних біогеоценозах присутні обидва типи ланцюгів живлення. У водних угрупованнях переважає ланцюг виїдання (пасовищний). В обох ланцюгах живлення енергія використовується повністю.

Властивості біосфери

Біосфера — частина оболонки Землі, населена живими організмами. Вчення про біосферу створив перший президент Української академії наук академік В. І. Вернадський (1863-1945). Саме він вперше розглянув усі живі організми Землі як єдиний фактор, включений до кругообігу речовин у природі, що акумулює сонячну енергію і визначає геологічні процеси Землі.

Структура біосфери

Біосфера займає усі три оболонки Землі: літосферу, гідросферу, атмосферу і має визначені межі. В атмосфері межа біосфери розташована на висоті 15-20 км, збігається з тропосферою й обмежена озоновим екраном.

Гідросфера охоплена життям майже повністю. Організми, що населяють верхній шар гідросфери, називають планктоном, а придонні — бентосом. У літосфері життя зосереджене в основному на її верхній частині глибиною до 80 м. Але деякі сліди життя виявлені на глибині до 100 м. Найбільш щільно заселений організмами поверхневий шар земної кори, утворений ґрунтом.

Кругообіг речовин і енергії в біосфері

Усі живі організми взаємозв’язані з неживою природою і включені в безперервний кругообіг речовин і енергії. В результаті відбувається біогенна міграція атомів. Необхідні для життя хімічні елементи переходять із зовнішнього середовища в організм. При розкладі органічних речовин ці елементи знову повертаються в навколишнє середовище.

В атмосфері завжди присутні гази: азот — 78%, кисень — 20,9% , вуглекислий газ — 0,033% та інші гази-домішки, у тому числі пара води. Ці гази перетворюються живою речовиною планети. У процесі фотосинтезу зелені рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Вуглекислий газ використовується на побудову органічних речовин і через рослинні організми, у вигляді поживних речовин, переходить в організм тварин. Кисень використовується всіма живими організмами у процесі дихання, для окиснення органічних речовин, при розкладанні відмерлих залишків організмів. У результаті цих процесів утворюється вуглекислий газ, що знову виділяється в атмосферу. Вільний азот атмосфери поглинається у ґрунті азотфіксувальними бактеріями і переходить до складу сполук, доступних для засвоєння рослинами. З ґрунту сполуки Нітрогену поглинаються рослинами для синтезу органічних речовин. Після відмирання інша група мікроорганізмів перетворює Нітроген і вивільняє його в атмосферу.

Отже, завдяки збалансованому кругообігу газів склад атмосфери завжди залишається сталим. Атмосфера має біогенне походження. У повітряний кругообіг включається 98,3% усіх речовин.

Великі запаси Фосфору містяться в гірських породах. При руйнуванні гірських порід Фосфор надходить у ґрунт, а відтак засвоюється живими організмами. Але частина фосфатів розчиняється у воді і вимивається у Світовий океан, де осідає на дні у вигляді відкладів.

Вода також бере участь у кругообігу. У процесі фотосинтезу вона використовується для синтезу органічних речовин, а при диханні і розкладанні органічних залишків виділяється в навколишнє середовище. Крім цього, вода потрібна всім живим організмам. У ній розчиняються мінеральні солі й органічні речовини, необхідні для засвоєння живими організмами. У водному середовищі відбувається кругообіг Натрію, Магнію, Кальцію, Феруму, Сульфуру та інших елементів, що загалом складають 1,7% від загальної кількості речовин, які беруть участь у кругообігу.

У результаті кругообігу речовин відбувається безперервне переміщення хімічних елементів із живих організмів у неживу природу й навпаки. Кругообіг речовин складається з двох протилежних процесів, пов’язаних з акумуляцією елементів у живих організмах і мінералізацією в результаті їх розкладу. Утворення живої речовини переважає на поверхні Землі, а мінералізація — у ґрунті і морських глибинах.

Одночасно з міграцією атомів відбувається і перетворення енергії. Єдиним джерелом енергії на Землі є сонце. Частина тепла витрачається на обігрівання землі і випаровування води. І лише 0,2% сонячної енергії нагромаджується у процесі фотосинтезу. Ця енергія перетворюється на енергію хімічних зв’язків органічних речовин, при розщепленні й окисненні яких у процесі живлення виділяється і знову витрачається на процеси життєдіяльності організмів: ріст, рух, розмноження, розвиток. Цей процес незамкнутий, тому є необхідність у постійному надходженні сонячної енергії.

Отже, біосфера являє собою велику систему, що складається з різнорідних компонентів, пов’язаних між собою процесами перетворення енергії та речовини. Міграція речовин замкнута в цикли, компонентами яких є тіла живої і неживої природи. Циклічність процесів забезпечує безперервне існування біосфери.

Охорона природи

Охорона природи сукупність заходів, спрямованих на збереження, раціональне використання і відтворення природних систем і ресурсів Землі, а також космічного простору в інтересах сьогоднішніх і майбутніх поколінь.

Заходи щодо охорони природи:

1. Створення безвідходних виробництв, екологічно чистих технологій; очищення повітря і стічних вод; рекультивація (штучне відтворення) земель; меліорація ґрунту, спрямована на підвищення його родючості.

2. Діагностика різних хімічних препаратів щодо їх мутагенної активності, розробка методів лікування спадкових захворювань.

3. Захист рослинного і тваринного світу. Створення заповідників і заказників — природних територій, що перебувають під охороною та спостереженням учених; збереження еталонів і пам’ятників природи — унікальних природних об’єктів; створення національних парків; складення списків тварин і рослин (Червона книга), які зникають; розробка проектів розведення рідкісних видів організмів у штучних умовах та акліматизації їх у природі. Збереження генофонду флори і фауни планети.

4. Виховання екологічної свідомості у населення.

Запитання для самоконтролю

1. Опишіть екологічні фактори.

2. Охарактеризуйте обмежувальний фактор середовища.

3. Охарактеризуйте біотичні фактори середовища.

4. Охарактеризуйте взаємозв’язки, які можуть бути між організмами.

5. Охарактеризуйте загальну схему колообігу речовин в екосистемі.

6. Поясніть, що таке трофічний рівень у ланцюзі живлення.

7. Поясніть вплив довжини світлового дня на сезонні зміни.

8. Чому рослини помірних широт скидають на зиму листя?

9. Опишіть колообіг Нітрогену в природі.

10. Охарактеризуйте шляхи штучного відновлення екосистеми.

Тестові завдання

1. Автор вчення про біосферу:

А) Т. Морган;

Б) Г. Мендель;

В) М. І. Вавилов;

Г) В. І. Вернадський.

2. Автотрофні організми, які продукують органічні речовини:

А) редуценти;

Б) деструктори;

В) продуценти;

Г) консументи.

3. Тип взаємодії шапкових грибів та дерев:

A) мутуалізм;

Б) хижацтво;

В) паразитизм;

Г) конкуренція.

4. Верхня тверда оболонка Землі:

A) літосфера;

Б) гідросфера;

B) тропосфера;

Г) стратосфера.

5. До складу планктону входять:

A) актинії;

Б) ламінарія;

B) форамініфери;

Г) хламідомонади.

6. Реакція організмів на сезонні зміни довжини світлового дня:

A) симбіоз;

Б) мутуалізм;

B) паразитизм;

Г) фотоперіодизм.

7. Сигнал до сезонних змін у тварин:

A) збільшення атмосферного тиску;

Б) зменшення тривалості світлового дня;

B) зменшення кількості поживних речовин;

Г) зменшення температури навколишнього середовища.

8. Установіть відповідність між назвами факторів природного середовища та їх характеристикою.

A) Антропічні;

Б) абіотичні;

B) біотичні.

1. Усі компоненти і властивості неживої природи;

2. взаємодія між особинами в популяції;

3. господарська діяльність людини;

4. сукупність взаємодій організмів з умовами навколишнього середовища.

А
Б
В

9. Установіть відповідність між групами в екологічній системі та організмами.

A) Продуценти;

Б) консументи 1-го порядку;

B) консументи 2-го порядку;

Г) редуценти.

1. Жаби;

2. хрущі;

3. берези;

4. бактерії гниття;

5. пріони.

А
Б
В
Г

10. Установіть відповідність між групами в екосистемі та організмами.

A) Продуценти;

Б) консументи І порядку;

B) консументи II порядку;

Г) редуценти.

1. Віруси;

2. бактерії гниття;

3. рослиноїдні комахи;

4. хижі комахи;

5. рослини.

А
Б
В
Г

Практичні завдання

1. Користуючись правилом екологічної піраміди визначте, яка маса водоростей і бактерій потрібна, щоб у морі виріс і міг існувати один дельфін масою 400 кг.

2. Маса сіна з 1 м² луки складає 200 г, з вико-вівсяного поля — 500 г. На основі правила екологічної піраміди визначте, яка площа луки або вико-вівсяного поля потрібна, щоб з нього змогла прогодуватись протягом року людина масою 54 кг (з них 63% складає вода). Ланцюг живлення: трава —> корова —> людина.

3. Яка площа водойми (га) може прогодувати білого пелікана (10 кг, 60% маси становить вода) в ланцюгу живлення: планктон —> риба —> пелікан? Біопродуктивність 1 м² водойми — 600 г органічної речовини.

4. Біомаса планктону становить 1 кг/м². За правилом екологічної піраміди визначте площу (га) відповідного біогеоценозу, у якому зможе вирости й прогодуватися пара судаків по 4 кг кожний. Ланцюг живлення: планктон —> рослиноїдні риби —> судак. Із указаних значень маси планктону та риб 40% припадає на суху речовину.

5. Який із компонентів біоценозу найбільш схильний до змін: продуценти, консументи чи редуценти? Обґрунтуйте свою точку зору, склавши ланцюг живлення.